周柏林，徐志鵬，謝代梁

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 浙江省流量計(jì)量技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器的研究

周柏林，徐志鵬，謝代梁

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 浙江省流量計(jì)量技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置能擴(kuò)展活塞裝置的流量范圍并延長(zhǎng)有效檢定時(shí)間，在簡(jiǎn)述該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)原系統(tǒng)PLC控制器靈活性不足及ADC精度較低的缺點(diǎn)，提出了一種基于TMS320F2812的往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器.介紹了該控制器的硬件構(gòu)成和軟件框架，研究了ADC的校正措施進(jìn)而提高了ADC精度，實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)基于PWM輸出的恒速控制和SPWM輸出的變速控制.結(jié)果表明該控制器ADC的精度優(yōu)于0.05%，并且易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng)控制，從而為往復(fù)式活塞裝置開(kāi)展深入研究奠定了基礎(chǔ).

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置；活塞；DSP控制器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究和應(yīng)用是流量計(jì)量測(cè)試技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ).氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用于對(duì)氣體流量?jī)x表進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，主要類(lèi)型有鐘罩式、pVTt法、標(biāo)準(zhǔn)表法、活塞式、皂膜式和稱(chēng)量法等，其中鐘罩式和pVTt法為氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置[1-2].活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置屬于容積法標(biāo)準(zhǔn)的一類(lèi)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、工作壓力可調(diào)、測(cè)量速度快，是目前發(fā)展最快的一類(lèi)新型的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1].往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置以臨界流流量計(jì)為被檢對(duì)象，利用兩個(gè)活塞交替運(yùn)行，連續(xù)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)流量氣體，突破了缸體容積的限制，延長(zhǎng)了有效檢定時(shí)間，提高了標(biāo)準(zhǔn)裝置可檢流量上限[3-4].

往復(fù)式活塞裝置對(duì)溫度、壓力、活塞位移等測(cè)量值的準(zhǔn)確度要求非常高；對(duì)雙活塞的控制有簡(jiǎn)單的恒速控制也有復(fù)雜的正弦波形速度控制、低速控制、雙電機(jī)協(xié)同控制等；以實(shí)現(xiàn)活塞裝置高要求的精密測(cè)量和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，從而提高活塞裝置的準(zhǔn)確度和可靠性.該標(biāo)準(zhǔn)裝置下位機(jī)用PLC控制，上位機(jī)用LabVIEW控制.PLC的運(yùn)算速度和處理能力有限、實(shí)時(shí)性差、缺乏靈活性，難以勝任高要求的運(yùn)動(dòng)控制，比如通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)按正弦波形速度運(yùn)動(dòng)就不容易，像低速控制、協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制這些需要結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制算法的復(fù)雜控制就更加困難.模擬量輸入模塊SM 1231的精度為滿量程的±0.2%，精度較低，難以滿足標(biāo)準(zhǔn)裝置高精度的測(cè)量要求.因此為該標(biāo)準(zhǔn)裝置研究一種運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)、ADC精度高、實(shí)時(shí)性好、靈活性好的控制器對(duì)于提高標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度和可靠性具有非常重要的意義.

數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor)，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP，以其高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力在許多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用[5-6].TMS320C2000系列DSP是TI公司面向數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，其中TMS320F2812是使用最廣的一款定點(diǎn)芯片，它采用靜態(tài)CMOS技術(shù)，功耗低，高性能32位CPU，擁有豐富的編程資源和外設(shè)接口，特殊的IQ-math函式庫(kù)，可以使用定點(diǎn)數(shù)來(lái)發(fā)展所需的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算算法，能方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法.特別是在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，它的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)得更加明顯.結(jié)合TMS320F2812在運(yùn)動(dòng)控制方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，我們提出一種基于TMS320F2812的往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器的研究.

1 往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作原理

往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用負(fù)壓法原理，用來(lái)檢定臨界流流量計(jì)如音速?lài)娮斓鹊牧鞒鱿禂?shù).聯(lián)軸器連結(jié)伺服電機(jī)和絲桿，活塞桿推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞缸內(nèi)氣體以恒定流速流經(jīng)被檢流量計(jì)、真空泵，最后進(jìn)入大氣.

該活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1，主要由兩個(gè)完全相同且對(duì)稱(chēng)的活塞系統(tǒng)組成.每個(gè)活塞系統(tǒng)由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、絲桿、活塞桿、導(dǎo)向軸、活塞、活塞缸、壓力傳感器、溫度傳感器、閥等組成.活塞行程425 mm，單缸有效容積30 L，裝置有效容積60 L.檢定過(guò)程中，活塞缸內(nèi)氣體壓力與大氣壓力相同且保持穩(wěn)定，活塞以一定的速度將缸內(nèi)氣體經(jīng)被檢流量計(jì)、真空泵排出，被檢流量計(jì)下游由真空泵抽真空以保證被檢臨界流流量計(jì)所需的背壓比.

圖1 往復(fù)式雙活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of reciprocating double-pistons gas prover

活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置有單缸、雙缸串聯(lián)、雙缸并聯(lián)三種最基本的檢定模式.

單缸檢定模式下，活塞的速度曲線如圖2.0～a為活塞加速階段；a～b為缸內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定階段，一般的，當(dāng)活塞缸內(nèi)氣體壓力波動(dòng)穩(wěn)定在20 Pa以內(nèi)認(rèn)為氣體壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；b～c為檢定階段；c～d為檢定完成后壓力緩沖階段；然后活塞減速到0.檢定流程結(jié)束后使活塞回原點(diǎn)等待下一次檢定.檢定過(guò)程中，閥門(mén)狀態(tài)為，0～b段出氣閥和進(jìn)氣閥同時(shí)打開(kāi)；b～c段進(jìn)氣閥關(guān)閉，出氣閥打開(kāi)；c點(diǎn)以后進(jìn)氣閥和出氣閥都打開(kāi).另一個(gè)活塞系統(tǒng)的出氣閥始終關(guān)閉，進(jìn)氣閥始終打開(kāi)，把兩個(gè)活塞系統(tǒng)獨(dú)立開(kāi).

圖2 單缸檢定模式v-t圖Figure 2 v-t diagram of the single-piston calibration mode

雙缸串聯(lián)檢定模式實(shí)際效果等同于加長(zhǎng)了活塞缸，使活塞的有效行程變大，延長(zhǎng)了檢定時(shí)間.活塞A、B和等效活塞的速度曲線如圖3.單個(gè)活塞的速度曲線和單缸檢定模式下活塞的速度曲線一致，在d點(diǎn)切換閥門(mén)，由原先的活塞缸A提供標(biāo)準(zhǔn)流量氣體變成由活塞缸B提供標(biāo)準(zhǔn)流量氣體，兩個(gè)活塞如此交替循環(huán)運(yùn)行，直至檢定完成.通過(guò)控制進(jìn)氣、出氣閥門(mén)的邏輯和時(shí)序，使每個(gè)活塞缸提供標(biāo)準(zhǔn)流量氣體都是獨(dú)立的，相互之間不產(chǎn)生影響.

圖3 雙缸串聯(lián)檢定模式v-t圖Figure 3 v-t diagram of the double-piston tandem linkage mode

雙缸并聯(lián)檢定模式實(shí)際效果等同于加大了活塞缸的缸徑，相同速度相同時(shí)間內(nèi)活塞推出的標(biāo)準(zhǔn)流量氣體體積是單缸檢定模式下的兩倍，從而提高了標(biāo)準(zhǔn)裝置可檢流量上限.活塞A、B和等效活塞的速度曲線如圖4.活塞A、B的速度曲線相同，檢定流程和單缸檢定模式一致，兩個(gè)活塞系統(tǒng)的閥門(mén)狀態(tài)嚴(yán)格同步并保持一致.從等效活塞的位移(速度和時(shí)間的積分)可以看出，相同時(shí)間內(nèi)等效活塞的位移是單個(gè)活塞位移的兩倍，也就是相同時(shí)間內(nèi)等效活塞推出的標(biāo)準(zhǔn)流量氣體體積是單個(gè)活塞的兩倍，從而提高了標(biāo)準(zhǔn)裝置可檢流量上限.

圖4 雙缸并聯(lián)檢定模式v-t圖Figure 4 v-t diagram of the double-pistons parallel mode

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器的結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

DSP具有適合數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，運(yùn)算速度快，處理能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，編程靈活，能方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法等特性，而這些特性是PLC所欠缺的甚至在某些方面是不具備的.因此，往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器選用DSP作為控制器核心，DSP芯片選用TI公司面向數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品TMS320F2812.它采用高性能CMOS技術(shù)，CPU主頻高達(dá)150 MHz，時(shí)鐘周期為6.67 ns，低功耗設(shè)計(jì)；高性能的32位中央處理器，一個(gè)周期內(nèi)能夠完成32×32位的乘法累加運(yùn)算或2個(gè)16×16位的乘法累加運(yùn)算，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)模式，具有快速中斷響應(yīng)和中斷處理能力，兼容C/C++語(yǔ)言以及匯編語(yǔ)言；活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖5.功率驅(qū)動(dòng)電路用于提高TMS320F2812輸出口的驅(qū)動(dòng)能力；電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)COMS電平和HTL電平之間的轉(zhuǎn)換；I/V轉(zhuǎn)換電路將溫度、壓力變送器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入高精度ADC模塊進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換；人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人與控制器之間的信息交互.

圖5 控制器結(jié)構(gòu)框圖Figure 5 Structure diagram of controller

主要用到了TMS320F2812的通用輸入/輸出多路復(fù)用器GPIO、事件管理器EV、串行通信接口SCI、串行外設(shè)接口SPI.通用輸入/輸出多路復(fù)用器GPIO產(chǎn)生通用I/O控制電磁閥通斷和接收接近開(kāi)關(guān)信號(hào)；事件管理器EV的通用定時(shí)器產(chǎn)生高速脈沖控制伺服電機(jī)，正交編碼脈沖(QEP)電路測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)位置等信息；串行通信接口SCI實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與控制器之間的通信；串行外設(shè)接口SPI實(shí)現(xiàn)高精度ADC模塊與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸.功率驅(qū)動(dòng)芯片選用74HC245；電平轉(zhuǎn)換通過(guò)光耦TLP521實(shí)現(xiàn)，TLP521除了起到電平的有效轉(zhuǎn)換以外，還可以將電路前端與負(fù)載完全隔離，減小電路之間的干擾.TMS320F2812自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)精度不高，相對(duì)誤差有時(shí)候最大甚至?xí)^(guò)10%，而標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)ADC的精度要求很高，因此選用分辨率為16位、DNL(微分非線性度)和INL(積分非線性度)都為±0.5LSB(0.5倍最低有效位，可以提供17位精度)的AD7606作為標(biāo)準(zhǔn)裝置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力的高精度地測(cè)量.AD7606的典型連接圖如圖6.配置為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓下工作，去耦電容濾除高頻RF信號(hào)，提高AD轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度和可靠性.

圖6 AD7606的典型連接圖Figure 6 AD7606 typical connection diagram

3 標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器的軟件設(shè)計(jì)

本文著重研究了控制器ADC校正的軟件算法和對(duì)伺服電機(jī)恒速及正弦波形速度的控制.

根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，AD的采樣精度正常都會(huì)比理論上少3～4位左右.在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，ADC的精度往往不盡如人意，采樣值和實(shí)際值之間存在較大的相對(duì)誤差，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大困擾.增益誤差和偏移誤差的存在是ADC采樣精度較差的主要原因，要使ADC達(dá)到高的采樣精度，就必須結(jié)合軟件算法對(duì)ADC進(jìn)行校正，補(bǔ)償增益誤差和偏移誤差.通過(guò)兩路精準(zhǔn)電源，輸入到ADC的任意兩個(gè)通道，讀取這兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，得到AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中的實(shí)際增益和實(shí)際偏移量，然后根據(jù)被測(cè)電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果就可以得到實(shí)際的輸入量.采用中值濾波算法對(duì)兩路精準(zhǔn)電源和被測(cè)電壓的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行濾波[7-8].ADC校正的程序框圖如圖7.

圖7 ADC校正程序框圖Figure 7 Process diagram of ADC correction

伺服電機(jī)選擇速度控制(模擬量電壓指令)方式，以電壓為速度指令輸入信號(hào).控制器通過(guò)事件管理器EV下的定時(shí)器產(chǎn)生PWM，程序控制PWM的占空比來(lái)控制輸出電壓的有效值，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速.對(duì)于伺服電機(jī)恒定速度控制，只需要保證速度指令輸入電壓恒定，也就是PWM的占空比恒定不變即可.對(duì)于伺服電機(jī)正弦波形速度曲線控制，采用SPWM技術(shù)[9-10]，以正弦波作為調(diào)制波，等腰三角形波作為載波，在正弦波與三角波交點(diǎn)處產(chǎn)生控制信號(hào)，控制PWM的脈沖寬度，得到一系列等幅且脈沖寬度正比于對(duì)應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速按正弦規(guī)律變化.恒定速度及正弦波形速度曲線控制的程序框圖如圖8.

圖8 PWM與SPWM程序框圖Figure 8 Process diagram of PWM and SPWM

通過(guò)DSP集成開(kāi)發(fā)軟件CCS5.5完成軟件的編寫(xiě)與調(diào)試.CCS5.5采用可視化圖形接口界面，集成了具有各種調(diào)試功能的代碼調(diào)試工具，可以對(duì)TMS320系列DSP進(jìn)行指令級(jí)的仿真和可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析.此外，CCS5.5還提供了豐富的輸入輸出庫(kù)指令和信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)，為T(mén)MS320系列DSP軟件的開(kāi)發(fā)提供了極大的方便，是目前最優(yōu)秀的DSP開(kāi)發(fā)軟件之一.

4 實(shí)驗(yàn)研究

活塞標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)溫度、壓力的測(cè)量誤差要求不超過(guò)±0.1%，裝置上溫度、壓力變送器的輸出信號(hào)為4～20 mA的電流信號(hào)，通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?～5 V的電壓信號(hào)，AD7606的8路模擬量輸入通道選擇±5 V，選取1～5 V之間的5組電壓值對(duì)控制器的ADC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，電壓測(cè)量值由0.05級(jí)的高精度電流電壓校驗(yàn)儀ETX-1815輸出，分別測(cè)得ADC校正前后的采樣值如表1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)軟件算法的配合，可以有效提高ADC的采樣精度.校正后的采樣值在1～5 V的量程范圍內(nèi)精度優(yōu)于0.05%，提高了標(biāo)準(zhǔn)裝置ADC的精度，滿足活塞裝置對(duì)溫度、壓力的測(cè)量要求.

表1 校正前后電壓測(cè)量值Table 1 Voltage measurement value before and after correction

對(duì)控制器輸出恒定占空比的PWM和SPWM進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.對(duì)于PWM，事件管理器EV下面的通用定時(shí)器設(shè)置為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，輸出極性為低電平有效，設(shè)定PWM頻率為1 kHz，占空比為40%，控制器輸出的PWM波形和占空比如圖9.從圖9(b)可以看出，控制器輸出PWM的占空比為40%且恒定不變，即輸出電壓的有效值不變，電機(jī)恒速運(yùn)行，活塞裝置輸出恒定流量.

對(duì)于SPWM，調(diào)制正弦波的頻率為1 Hz，載波比設(shè)為60，調(diào)制度設(shè)為0.8；事件管理器EV下面的通用定時(shí)器設(shè)為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，產(chǎn)生三角波作為載波，載波頻率60 Hz，輸出極性為高電平有效；打開(kāi)通用定時(shí)器的周期中斷，在周期中斷函數(shù)中改變定時(shí)器比較寄存器的值(該值決定PWM的占空比)，使其按正弦規(guī)律變化.控制器輸出的SPWM波形和占空比如圖10.從圖10(b)可以看出，控制器輸出SPWM的占空比按正弦規(guī)律變化，即輸出電壓的有效值按正弦規(guī)律變化，電機(jī)按正弦波形速度運(yùn)行，活塞裝置輸出動(dòng)態(tài)流量.

圖9 PWM輸出波形和占空比Figure 9 Waveform and duty cycle of PWM

圖10 SPWM輸出波形和占空比Figure 10 Waveform and duty cycle of SPWM

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置原控制系統(tǒng)PLC控制器靈活性不足及ADC精度較低的問(wèn)題，我們研究了基于TMS320F2812的往復(fù)式活塞氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置控制器.該控制器具有8路模擬量輸入通道，量程在±5 V和±10 V之間可選的高精度ADC，在1～5 V的量程范圍內(nèi)精度優(yōu)于0.05%；可以編程輸出最多16路恒定占空比的PWM或占空比按正弦規(guī)律變化的SPWM，分別控制伺服電機(jī)恒速運(yùn)行和正弦波形速度運(yùn)行，使活塞裝置輸出恒定流量和動(dòng)態(tài)流量.該控制器編程靈活，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，因而具有較好的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用靈活性.

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Research on a reciprocating piston gas prover controller

ZHOU Bolin, XU Zhipeng, XIE Dailiang

(Zhejiang Province Key Lab of Flow Measurement Technology, College of Metrology and Measarement Engineering,China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The reciprocating piston gas prover can extend the verification flow range and prolong the verification time. A reciprocating piston gas prover controller based on TMS320F2812 was proposed to overcome the shortcomings of less flexibility of PLC controllers and low accuracy of ADC. The hardware structure and the software framework of the controller were introduced. The accuracy of ADC was improved by the correction measure. The output of PWM and SPWM which were controlling servo motor constant speed run and sine wave speed run were realized. The results showed that the error of the ADC was less than 0.05%, and it was easy to realize the complex track control, which laid the foundation for further research of the reciprocating piston gas prover.

gas prover; piston; DSP controller; ADC

2096-2835(2016)04-0394-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.04.007

2016-10-07 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51305419).

TB937

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