基于步進(jìn)電機(jī)的稀釋水閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白 濤 鄭 璐 趙功偉 王金妮

（1、延安大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 延安716000 2、杭州海康消防科技有限公司，浙江 杭州310000）

1 概述

稀釋水力流漿箱的出現(xiàn)，以一種全新的概念，創(chuàng)造性的提出了濃度調(diào)節(jié)紙機(jī)橫幅定量偏差的方法，使得國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者開(kāi)始廣泛關(guān)注稀釋水閥。從20 世紀(jì)90 年代初以來(lái)，造紙?jiān)O(shè)備商先后研制開(kāi)發(fā)了各具特色的、能通過(guò)在線濃度調(diào)節(jié)從而控制橫向定量的新概念流漿箱，目前國(guó)外有些稀釋水閥已成為系列產(chǎn)品投入生產(chǎn)。與此同時(shí)國(guó)內(nèi)造紙裝備研究院所及企業(yè)等對(duì)流漿箱同樣做了大量的研究，在純機(jī)械問(wèn)題方面，相對(duì)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)也取得了很多實(shí)用化的科技成果。在實(shí)時(shí)控制的稀釋系統(tǒng)中，稀釋水閥可部分取代比例閥或伺服閥工作，它的關(guān)鍵執(zhí)行器是稀釋水閥，其一般平行安裝在流漿箱的橫向，通過(guò)控制總線接收橫幅定量控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，稀釋水力流漿箱的出現(xiàn)極大改善了紙機(jī)紙張品質(zhì)，控制總線接收橫幅定量控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)稀釋水閥上游水閥閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)稀釋水加入量，進(jìn)而控制稀白漿濃度來(lái)調(diào)節(jié)橫幅定量，消除了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法的靈敏度及分辨率較低和精度差等缺點(diǎn)，紙張質(zhì)量得到了很大的保障。但目前稀釋水閥控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)難依然存在以下幾方面因素：一方面由于研制難度相對(duì)較大，已經(jīng)成為阻礙我國(guó)技術(shù)；另一方面國(guó)外公司長(zhǎng)期壟斷稀釋水閥，導(dǎo)致其價(jià)格比較高而且售后服務(wù)費(fèi)很貴。因此提高稀釋水閥的控制精度，實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的稀釋水閥控制器具有重大意義。

2 稀釋水閥及其控制系統(tǒng)

圖1 稀釋水閥控制系統(tǒng)組成

圖2 RS-485 收發(fā)器

稀釋水閥就是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的直行程閥門(mén)，控制和改善橫向定量的變化。稀釋水閥控制器體積小，集成度高，其控制系統(tǒng)是以STM32F103 單片機(jī)控制為核心，然后利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制單片機(jī)發(fā)出的脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的升速、降速和改變輸入電平的高低來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，然后通過(guò)輸出信號(hào)控制稀釋水閥閥門(mén)的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)稀釋水量的調(diào)節(jié)；并利用反饋元件來(lái)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，這樣通過(guò)閉環(huán)控制后達(dá)到高精度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橫向控制的目的。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件通信電路由RS-485 收發(fā)器與光耦隔離器件組成。在單片機(jī)系統(tǒng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)前，應(yīng)先將SN75176 的接收門(mén)或發(fā)送門(mén)打開(kāi)，同時(shí)SN75176 芯片兼有TTL 電平到RS-485 電平、RS-485 電平到TTL 電平的轉(zhuǎn)換功能。由于一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差,干擾信號(hào)多,為了避免通信總線對(duì)系統(tǒng)整體的影響，因此接口電路的設(shè)計(jì)需要用到光耦隔離。本次設(shè)計(jì)中選擇了一款用于單通道的高速光耦合器6N137。其硬件電路如圖2 所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制電路圖

圖4 主程序流程圖

THB6128 高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，其與單片機(jī)相連接，通過(guò)單片機(jī)輸出控制信號(hào)，即可設(shè)計(jì)出高性能的驅(qū)動(dòng)電路。本次設(shè)計(jì)中將單片機(jī)的P1 口作為信號(hào)輸出口。P1.5管腳與CLK 管腳相連，通過(guò)控制輸出脈沖的頻率，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；P1.6 管腳與CW 端相連，作為方向信號(hào)輸出端，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；P1.7 管腳與EN 端相連，作為芯片使能信號(hào)輸出端，用來(lái)控制THB6128 輸出有效。其驅(qū)動(dòng)電路如圖3，THB6128 的 OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B 分別與步進(jìn)電機(jī)的A、B 相繞組相連來(lái)控制電機(jī)按照規(guī)定要求運(yùn)動(dòng)。

4 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過(guò)RS-485 發(fā)送指令給單片機(jī)，單片機(jī)接收到指令后對(duì)指令進(jìn)行校驗(yàn)，判斷是否完整，然后進(jìn)行解析處理，由單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動(dòng) 器 THB6128， 然 后 由THB6128 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成指令；位置檢測(cè)裝置對(duì)步進(jìn)電機(jī)的瞬間位置進(jìn)行采集、處理后送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)將位置信號(hào)進(jìn)行分析并傳回給上位機(jī)；為了防止系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出錯(cuò)，本課題利用X5045 芯片中看門(mén)狗模塊來(lái)檢測(cè)單片機(jī)的程序運(yùn)行狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即把整個(gè)系統(tǒng)軟件劃分成多個(gè)功能獨(dú)立，大小適當(dāng)?shù)哪K。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)計(jì)算機(jī)不斷地修改定時(shí)器初值，從而來(lái)改變脈沖的頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整稀釋水的加入量來(lái)控制定量，且這種控制方式滯后小，定量控制效果也是最好的。

6 結(jié)論

針對(duì)稀釋水閥的控制精度，控制系統(tǒng)具備一定的通用性，靈活性較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整稀釋水的加入量來(lái)控制定量，且為稀釋水閥控制系統(tǒng)提供了技術(shù)依據(jù)。