極譜儀中攪拌電機速度的自動(dòng)控制

極譜分析中除使用滴汞、懸汞和靜汞電極外，幾乎所有的電鍍、富集過(guò)程都需攪拌雜質(zhì)溶液，以達到快速、均勻富集、提高分析靈敏度的目的。目前各類(lèi)陽(yáng)極溶出法分析儀、電位溶出法分析儀，以及微機化伏安儀等，均采用分離式的攪拌控制系統控制工作電極旋轉，即在儀器外另設一個(gè)電源裝置和一套控制電路，通過(guò)手動(dòng)設定轉速，攪拌時(shí)間由儀器內部的硬件或軟件給出，控制一臺15賈直流電機定時(shí)、定速轉動(dòng)，攪拌雜質(zhì)溶液。還有相當部分的舊式極譜儀采用電磁攪拌方式。這種控制方法，存在速度控制精度低、儀器體積大等缺點(diǎn)。為了提高控制精度，我們開(kāi)發(fā)出一種適用于小型多功能自動(dòng)化極譜儀用的攪拌自動(dòng)控制系統，實(shí)現對攪拌電機速度的控制。定電壓v，是按極譜分析轉速要求所給定的速度控制模擬量。v.由計算機送出對應的數字量，經(jīng)過(guò)D/A轉換，輸出與轉速成比例的電壓值。驅動(dòng)5份小型直流伺服電機給定電壓v.和速度反饋電壓v，進(jìn)行比較、電壓放大和功率放大后，驅動(dòng)電機在給定速度下轉動(dòng)。外界因素如負載變化，電源波動(dòng)等會(huì )影響轉速變化，這種變化反映出v，的大小變化，經(jīng)過(guò)與V.比較放大后、最終將電機轉速控制在一個(gè)恒定值上。

2硬件設計

總體框圖如圖1所示。本系統采用80，8單片機控制5百小型直流電機，定時(shí)精度為m。級，最大轉速誤差小于0.02%。可實(shí)現正、反轉，連續可控。控制電路與儀器裝于一體，采用sTD標準接口，控制、維修十分方便，大大縮小了儀器體積。

2.1速度控制過(guò)程

速度探測器部分采用了100脈沖制的步進(jìn)編碼器速度傳感器，緊靠近小型直流電動(dòng)機主軸一側。電機直接帶動(dòng)工作電極轉動(dòng)。速度給定電壓v，是按極譜分析轉速要所給定的速度控制模擬量。v.由計算機送出對應的數字量，經(jīng)過(guò)D/A轉換，輸出與轉速成比例的電壓值。驅動(dòng)5份小型直流伺服電機給定電壓v.和速度反饋電壓v，進(jìn)行比較、電壓放大和功率放大后，驅動(dòng)電機在給定速度下轉動(dòng)。外界因素如負載變化，電源波動(dòng)等會(huì )影響轉速變化，這種變化反映出v，的大小變化，經(jīng)過(guò)與V.比較放大后、最終將電機轉速控制在一個(gè)恒定值上。

2.2電路各部分功能速度控制電路如圖2所示。各部分功能如下:

2.2.1速度給定電壓v.V。由12位D/A轉換器DAC一232給出，采用雙極性輸出是為了正反轉攪拌的需要而設計的。最小速度控制分辨率為3000r/。in/(2幾一l)之0.73r/min，最大轉速誤差為0.73/3000，0.02%，這種誤差足以滿(mǎn)足攪拌精度的要求。

2.2.2差動(dòng)放大與功率放大v.經(jīng)R:，、u，:，分壓后由跟隨器Ie。輸出。Ic。為差動(dòng)電壓放大器，將v.與一v，比較放大到足以驅動(dòng)功放電路。T，、n:、R:，和T。、D3、R:.起過(guò)流保護作用，保護功放管T;和T。。D:、D;是續流二極管，以防止T‘、T。被感性負載的反電動(dòng)勢擊穿。

2.2.3速度負反饋電路速度負反饋電路是由整形、F/v轉換、濾波、相位補償、方向識別和正反轉極性控制幾部分構成。。.波形整形速度傳感器檢測電路送出A、B兩相相位相差”。的脈沖，由于各種干擾產(chǎn)生畸變，需要整形。整形由晶體管反相器T:、T:及積分電路n，、e:，R:、e:和施密特觸發(fā)器455魂構成。整形后A、B兩相脈沖接近理想方波脈沖。

b.單穩態(tài)多諧振蕩器利用定時(shí)器5“單穩態(tài)電路產(chǎn)生與A相信號頻率成正比的脈沖電壓。脈沖寬度T、由R。、C‘值決定:Th二1.IR‘C-取R。.skQ，e.二0.。一認f，得T、“0·lm。。

c.低通有源濾波由R.、c。，R，和c，及運放構成。單穩態(tài)多諧振蕩器輸出的脈沖電壓經(jīng)有源濾波后，得到的平均電壓與A相脈沖信號頻率成正比。因此，完成了反饋系統的護/v轉換。

d.相位補償利用滯后一超前相位補償電路R:，、C.和R::、c。實(shí)現相位補償，目的是為了改善系統的速度響應特性。不加補償，系統增益12dB，相位極限僅25“。補償后增益和相位極限分別提高到4odB和47。，效果十分明顯。e.轉動(dòng)方向識別由D觸發(fā)器、模擬開(kāi)關(guān)4“3和運放構成。A相脈沖作D觸發(fā)器的cP脈沖，B相脈沖作數據輸入。正轉時(shí)B相超前A相，0。，D觸發(fā)器輸出高電平，選通4053的x-x:通道，這時(shí)反饋電壓加到運放的反相輸入端，完成v，的極性變換。反轉時(shí)，A相超前B相，。“，D觸發(fā)器輸出低電平，選通4053的x一x。通道，v，加到運放同相端，此時(shí)運放為電壓跟隨器。選R:‘研:。二4仆9，則經(jīng)運放后Vr大小和極性都不變。

2.3各部分傳遞函數及增益計算

3軟件設計

采用8。，8匯編語(yǔ)言編制程序。電機轉速、轉動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間采用漢字提示，人機對話(huà)方式，由用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)鍵入所需數值。程序設計采用模塊化，分為電機轉速子程序、延時(shí)子程序。

3.l電機轉速控制的數學(xué)模型

從-3000r/。in~+3000r/，in速度范圍的任一轉速N的數學(xué)模型為D二INT[(NX613000+6)X4095/12](，)通過(guò)鍵盤(pán)鍵入值為十進(jìn)制數，把該值以BCD碼形式存入寄存器Ax中，計算出電機轉速對應的數字量。D<80H為電機反轉，D》80H為電機正轉。式中6/3。。。為每增加一轉需要增加的電壓值。因為電機轉速一30000r/min~+300or/min轉，對應的電壓為·6v~+6v，相應數字量為。~FFFH。要求出某一轉速下對應的數字量，應求出相對一6v的絕對電壓值，所以要加6。

3·2定時(shí)控制

延時(shí)程序采用寄存器減l的方法。80，8的晶振頻率為6MH:，每一個(gè)機器周期延時(shí)時(shí)間為。·4，8卜。，然后根據每執行一條指令的機器周期數，算出。.5。需循環(huán)幾次，該值賦給寄存器Bx為基本延時(shí)單位。調用該延時(shí)程序前要把鍵入的轉動(dòng)(或停止)時(shí)間的十進(jìn)制數轉換為二進(jìn)制數，并計算出每次延時(shí)0.5.需幾次才能達到所需要的時(shí)間，輸入給寄存器AX。

3.3程序流程圖

根據電機轉速控制的數字模型及定時(shí)控制的要求，進(jìn)行軟件的編制。通過(guò)顯示屏菜單提示的電機轉速和轉動(dòng)時(shí)間，從鍵入相應的轉速和時(shí)間到電機轉動(dòng)的程序流程如圖3所示。謐穩定性分析速度負反饋控制的最終目的，是要抑制外界干擾的影響，使系統變量接近設計值。為此系統本身必須是穩定的。多種因素影響系統的穩定性，但增益和頻率特性是影響穩定性的主要因素，需要重點(diǎn)考慮。

隨著(zhù)負載轉矩增加，電機轉速會(huì )下降。實(shí)際轉速N和給定轉速N。之差△N與給定轉速之比△H/N。為速度波動(dòng)率。系統總直流增益越大，速度波動(dòng)率越小。由于系統中存在慣性，太高的增益反而會(huì )使系統振蕩，使穩定性下降。多數情況下，一般伺服系統的增益和相位極限分別控制在20dB和4。“左右。系統是否穩定可以由增益和相位關(guān)系的Bode曲線(xiàn)加以分析。如果相位交叉處對應的增益為負，則系統是穩定的，反之系統不穩定。同樣，也可以根據相位角判斷。如果增益交又處相位角大于一180度，則系統是穩定的;小于一180度，系統是不穩定的。就本系統而言.朱加補償電路前增益為12dB，但相位極限僅25。，系統是不穩定的。表現出從發(fā)出速度指令到電機起動(dòng)達到給速度過(guò)程很長(cháng)，約7ooms，而且產(chǎn)生嚴重波動(dòng)。犧牲增益換取穩定性提高的辦法是不可取的，因為增益下降會(huì )引起速度波動(dòng)率增加。切實(shí)可行的辦法是在保證足夠增益前提下，用相位補償措施擴大相位極限。增加R:、C.和R::C，滯后一~超前相位補償電路后，效果是明顯的。補償后的Bode曲線(xiàn)和系統速度響應如圖4(a)、(幼所示。由圖可見(jiàn)，系統增益提高到13dB，相位極限擴大到47。。而且電機起動(dòng)過(guò)程速度波動(dòng)得到了極大的抑制.速度建立時(shí)間明顯縮短，約200mm，是補償前的1/30

6結束語(yǔ)

本攪拌電機速度自動(dòng)控制系統，具有電路簡(jiǎn)單、成本低、功耗小的特點(diǎn)，適用于小型化智能極譜儀。本系統用于我們研制的小型化多功能智能極譜儀中一年多來(lái)，運行穩定可靠，實(shí)現了儀器小型化，提高了儀器自動(dòng)化程度。

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