郭子裕 張會(huì)新 洪應(yīng)平 洪明森 樊文韜

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

在航空航天領(lǐng)域，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，其關(guān)鍵部件電動(dòng)節(jié)流閥的工作狀態(tài)往往處于極端環(huán)境下，極易出現(xiàn)工作異常，電動(dòng)節(jié)流閥的啟動(dòng)和旋轉(zhuǎn)異常不僅會(huì)影響裝備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重情況還會(huì)引發(fā)爆炸等災(zāi)難性事故［1～3］。因此，在火箭注入燃料的過(guò)程中，為了檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是否正常，需要實(shí)時(shí)采集電動(dòng)節(jié)流閥的壓力流量［4］，并且可以精準(zhǔn)地控制閥芯開度，這對(duì)于大型裝備穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行具有重要的意義［5～8］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)，用于電動(dòng)節(jié)流閥的開度控制與壓力傳感器、流量傳感器的參數(shù)采集。本系統(tǒng)以STM32F407 作為主控芯片，連接ADC 芯片AD7606，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器連接步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)RS485通訊接口連接編碼器，完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在測(cè)試與驗(yàn)證階段，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)各路傳感器輸入的采集和對(duì)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制，為控制供配氣過(guò)程中節(jié)流閥開度和檢驗(yàn)隨之變化的壓力流量提供了幫助。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖1，包括主控制器，供電模塊，模擬量采集單元，步進(jìn)電機(jī)控制單元。主控制器選擇STM32F407 芯片，模擬量采集單元功能要求采集4 路4～20mA 傳感器數(shù)據(jù)，步進(jìn)電機(jī)控制單元功能要求準(zhǔn)確控制電機(jī)角度，供電模塊負(fù)責(zé)主控、4個(gè)傳感器，電機(jī)以及編碼器供電。

圖1 電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

STM32F407 是ST（意法半導(dǎo)體）基于ARMCortexTM-M4 為內(nèi)核的高性能微控制器，所使用的ART 技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行［9］，程序執(zhí)行的效率高。集成了單周期DSP 指令和FPU 浮點(diǎn)單元，提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制［10］。

2.2 模擬量采集單元設(shè)計(jì)

2.2.1 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

模擬量的物理意義為2 路壓力傳感器數(shù)據(jù)，2路傳感器流量數(shù)據(jù)，4 路傳感器的輸出信號(hào)均為4mA～20mA，故采集的4 路傳感器輸出的模擬量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 模擬量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖中，R25 是4mA～20mA 電流取樣電阻，其值的大小主要受傳感變送器供電電壓的制約，當(dāng)前級(jí)采用24V 供電，R25 使用250Ω的阻值，對(duì)應(yīng)采樣電流轉(zhuǎn)換電壓為1V～5V。

由OPA197 組成的電壓跟隨器拉高輸入阻抗，使得它對(duì)上一級(jí)電路呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，而對(duì)下一級(jí)電路呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，用于中間級(jí)，隔離前后級(jí)電路，消除它們之間的相互影響。

AD824 是一款四通道、FET 輸入、單電源放大器，提供軌到軌輸出。此處用到了三個(gè)通道，首先，由圖中U11A、U11B 構(gòu)成的電壓限幅電路，可以將輸出信號(hào)的電壓限定在指定電壓范圍內(nèi)提高輸出精度，以保護(hù)后級(jí)ADC 電路。而U11C 為一級(jí)電壓跟隨器以降低輸出阻抗［11］。

2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用了AD7606-4 芯片［12］，該芯片的主要技術(shù)指標(biāo)有4路同步采樣輸入、16位分辨率精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間為4μs，具有模擬輸入鉗位保護(hù)、等效輸入阻抗為1MΩ的輸入緩沖區(qū)、提供40dB 二階抗混疊濾波模擬濾波器，提供串行及并行接口。

圖3是AD7606-4 的硬件設(shè)計(jì)原理。V1、V2、V3、V4 為AD7606 的四個(gè)通道輸入，保證4 路傳感器信號(hào)的采集具有極高的同步性能。數(shù)據(jù)輸出采用并口接線讀取，DB0～15 為16 位數(shù)據(jù)線輸出，接入主控讀取，處理為1V～5V電壓的數(shù)字量。

圖3 AD7606硬件電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)控制單元設(shè)計(jì)

2.3.1 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)選型兩相四線制電機(jī)，主控通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)。圖4為控制器與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生控制電路用于驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥開啟工作所需要的觸發(fā)脈沖，下降沿觸發(fā)脈沖。

主控輸出三個(gè)信號(hào)：EN，DIR，STEP?？刂菩盘?hào)經(jīng)過(guò)三極管的放大作用輸出，以共陽(yáng)極接法連接驅(qū)動(dòng)器組成閉合回路。

2.3.2 步進(jìn)電機(jī)控制編碼器模塊設(shè)計(jì)

編碼器選型光柵旋轉(zhuǎn)編碼器，體積小，分辨率高，直接安裝在步進(jìn)電機(jī)尾部。編碼器內(nèi)部為線性差分驅(qū)動(dòng)器，如圖5，功能同RS485。

圖5 編碼器通訊電路

編碼器內(nèi)部IC1 為線性差分驅(qū)動(dòng)器，功能等同于MAX485，故用戶接收端IC2 和IC1 選型一致，匹配電阻R2和R5阻值為220Ω，RS485通信波特率為2.5Mbps，R1，R4 為上拉電阻；R3、R6 為下拉電阻。圖6為用戶接收端具體電路。

圖6 編碼器接收端RS485模塊的設(shè)計(jì)

如圖6，RS485 電平轉(zhuǎn)換芯片使用THVD1428，THVD1428 是一個(gè)半雙工RS-485 收發(fā)器，帶有集成浪涌保護(hù)。

其中，A、B 引腳為數(shù)據(jù)傳輸引腳，RE 引腳為低電平接收使能，DE 引腳為高電平發(fā)送使能。將兩個(gè)引腳連接在一起，主控只需要通過(guò)一個(gè)信號(hào)RS485_DIR即可控制收發(fā)過(guò)程［13］。

編碼器接入電路后，用戶端發(fā)送使能信號(hào)請(qǐng)求，編碼器接收到請(qǐng)求信號(hào)后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能，返回當(dāng)前工作狀態(tài)、當(dāng)前角度碼值以及校驗(yàn)碼。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，在主程序在執(zhí)行中，先要調(diào)用初始化程序。在系統(tǒng)剛一上電時(shí)，主程序便開始初始化STM32F407內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、控制變量和參數(shù)、內(nèi)部寄存器和其他各功能模塊，其中包括PWM 波輸出、A/D 采樣模塊、RS485 通信等模塊。初始化完畢，系統(tǒng)便開始啟動(dòng)自檢工作，檢測(cè)電源與電路是否處于正常工作狀態(tài)，這很有必要，是保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提。

3.1 模擬量采集時(shí)序設(shè)計(jì)

AD7606 上的采樣由CONVST 信號(hào)控制。在兩個(gè)轉(zhuǎn)換開始輸入信號(hào)CONVST_A 和CONVST_B 先后轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫷碗娖街螅珺USY 引腳轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫺唠娖?，即開始正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程［14］。轉(zhuǎn)換中BUSY保持高電平不變，直到轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束。BUSY的下降沿表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)正被鎖存至輸出數(shù)據(jù)寄存器，經(jīng)過(guò)時(shí)間t4之后便可讀取。在并行模式下，CS片選信號(hào)和RD 信號(hào)先后進(jìn)入邏輯低電平，則會(huì)觸發(fā)使能輸出總線DB［15：0］，使轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出在并行數(shù)據(jù)總線上。其中t1～t6的時(shí)序要求如表1所示。

表1 AD7606時(shí)序表

AD7606的轉(zhuǎn)換流程如圖7所示。

圖7 AD7606轉(zhuǎn)換流程

3.2 步進(jìn)電機(jī)控制算法研究

步進(jìn)電機(jī)控制算法設(shè)計(jì)是基于PID 的控制思想?？赏ㄟ^(guò)編碼器實(shí)時(shí)獲取步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度α。指定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)至指定角度為q，則任意t 時(shí)刻，q與實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角α（t）之間的差值e（t）為

根據(jù)e（t）的正負(fù)取值，配置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方向控制引腳。由PID 控制算法可知：主控輸出控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)變化量的PWM波脈沖個(gè)數(shù)p（t）為

式中，Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。上式離散化后得到的位置式PWM 波脈沖個(gè)數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)PWM 波滿載脈沖數(shù)為200個(gè)，在偏離電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度正負(fù)0.1°的范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，最終確定定向定量控制法的Kp、Ki、Kd取值分別為22.2、0.01、0.02。

得到PWM 波脈沖個(gè)數(shù)后，利用主從定時(shí)器將PWM 脈沖輸出，以STM32 的定時(shí)器3 作為主定時(shí)器用于設(shè)置定時(shí)器頻率，定時(shí)器2 作為從定時(shí)器用于設(shè)置脈沖輸出個(gè)數(shù)。從定時(shí)器使用主定時(shí)器的觸發(fā)輸出信號(hào)作為自己的觸發(fā)輸入信號(hào)工作。定時(shí)器3 內(nèi)部采用向上計(jì)數(shù)比較模式，比較輸出連接至定時(shí)器2 的觸發(fā)輸入端，定時(shí)器2 自動(dòng)地記錄已經(jīng)輸出地PWM 脈沖個(gè)數(shù)。將PID 控制得到地返回值輸入主從定時(shí)器，即可輸出指定數(shù)量地PWM 脈沖［15］。

3.2.1 步進(jìn)電機(jī)絕對(duì)控制

步進(jìn)電機(jī)絕對(duì)控制用于控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)0～360°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，以編碼器的零點(diǎn)為步進(jìn)電機(jī)的絕對(duì)零度，步進(jìn)電機(jī)初始位置角度為當(dāng)前值，設(shè)定0～360°內(nèi)任意角度為目標(biāo)值，將兩者代入PID調(diào)試即可。

3.2.2 步進(jìn)電機(jī)相對(duì)控制

步進(jìn)電機(jī)相對(duì)控制用于控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)，以步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前所在的位置為原點(diǎn)，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

單圈編碼器價(jià)格低，實(shí)際應(yīng)用中使用廣泛，但由于其測(cè)量范圍小，需要在安裝時(shí)調(diào)整零點(diǎn)，以便在使用過(guò)程中不允許編碼器旋轉(zhuǎn)跨越零點(diǎn)，即編碼器只允許在360° 范圍內(nèi)選擇，大大降低了其使用范圍。本設(shè)計(jì)采用的編碼器即為單圈絕對(duì)式編碼器，故實(shí)現(xiàn)單圈內(nèi)的相對(duì)控制設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)多圈的相對(duì)控制成為難點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)采用17 位單圈絕對(duì)式編碼器，編碼范圍為0～131071，共131072 個(gè)編碼。以STM32 的調(diào)試周期為時(shí)間基準(zhǔn)，在每一個(gè)掃描周期內(nèi)，將編碼器返回值與131071 做比較，當(dāng)返回值等于131071時(shí)，便認(rèn)為此時(shí)編碼器已過(guò)圈，這樣會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快，容易出現(xiàn)編碼的跳變，即每次讀數(shù)差值很大，主控接收不到131071 這個(gè)碼值，從而無(wú)法正確判斷過(guò)圈。

針對(duì)上一問(wèn)題，程序?qū)幋a進(jìn)行處理，將當(dāng)前調(diào)試周期讀取編碼值作為a，將上一調(diào)試周期讀取編碼值作為b，當(dāng)a＞b 時(shí)，編碼器不過(guò)圈；當(dāng)a＜b 時(shí)，編碼器過(guò)圈。但這樣的處理，還會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：

1）當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快時(shí)，如果a 所在的角度為第二圈的碼值且大于b，但剛才的處理會(huì)將a和b判斷為同一圈的碼值；

2）當(dāng)a 所在的角度為第三圈的碼值且小于b，但剛才的處理會(huì)將a 和b 判斷為轉(zhuǎn)過(guò)一圈，或者無(wú)法判斷轉(zhuǎn)過(guò)幾圈。

針對(duì)以上問(wèn)題，并為了彌補(bǔ)單圈絕對(duì)型編碼器在多圈控制中的缺陷，控制算法設(shè)計(jì)依據(jù)香農(nóng)采樣定理，對(duì)131071 進(jìn)行8 等分，在步進(jìn)電機(jī)的調(diào)試周期，也是編碼器的采樣周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在距離目標(biāo)值45°以外，程序設(shè)置電機(jī)每一周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)固定值45°，距離目標(biāo)值45°以內(nèi)，程序設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入PID調(diào)試。

在距離目標(biāo)值45° 以外，每次旋轉(zhuǎn)不得超過(guò)45°，是為了編碼器采樣，可以及時(shí)地比較到上一周期的碼值和這一周期的碼值，一旦上一周期碼值在114687-131071 這一范圍，下一周期碼值在0～16384 這一范圍，即可準(zhǔn)確判斷編碼器轉(zhuǎn)過(guò)一圈。調(diào)試程序記錄第一次采樣的編碼器值，即初始位置α(0)，并記錄轉(zhuǎn)過(guò)圈數(shù)n，從而得到當(dāng)前值與目標(biāo)值的角度差值，在距離目標(biāo)值45° 以內(nèi)，進(jìn)入PID 調(diào)試，得出最后需要達(dá)到終點(diǎn)的脈沖數(shù)。當(dāng)進(jìn)入目標(biāo)值45°以內(nèi)，當(dāng)前角度值與目標(biāo)值的差值為

其中，θ為相對(duì)角度目標(biāo)值，任意范圍，可以為1°，也可以超過(guò)360°，如720°。

4 系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)試與分析

4.1 系統(tǒng)實(shí)物

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)通過(guò)CAN總線連接上位機(jī)，系統(tǒng)全部采用航天電連接器J14H。可連接4路4mA～20mA 傳感器，步進(jìn)電機(jī)和編碼器。電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖8、圖9所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物正面圖

圖9 系統(tǒng)實(shí)物后面圖

對(duì)于4 路傳感器，本系統(tǒng)可以為傳感器供電，在電連接器內(nèi)部包含為傳感器供電的24V 輸出線。并將4mA～20mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為1V～5V 電壓信號(hào)輸出，同時(shí)以數(shù)據(jù)形式通過(guò)CAN 總線發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了單獨(dú)的電機(jī)供電手動(dòng)開關(guān)，一是防止電機(jī)持續(xù)供電發(fā)熱造成損傷；二是當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)空轉(zhuǎn)或控制異常時(shí)可以緊急制動(dòng)。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，連接傳感器與步進(jìn)電機(jī)，這里用4mA～20mA 電流信號(hào)發(fā)生器替代傳感器，將整個(gè)系統(tǒng)供電，對(duì)系統(tǒng)分別進(jìn)行采集測(cè)試與控制測(cè)試。

4.2.1 系統(tǒng)采集測(cè)試

系統(tǒng)試驗(yàn)，實(shí)物連接如圖10。

圖10 系統(tǒng)測(cè)試連接圖

由圖中可知，從右到左分別是傳感器通道1～4，連接至電流信號(hào)發(fā)生器，電流輸出分別為4mA、12mA、16mA、20mA，電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)測(cè)試到的結(jié)果如圖11。

圖11 系統(tǒng)采集測(cè)試結(jié)果圖

由圖可知傳感器通道1～4采集的結(jié)果。表2為系統(tǒng)采集測(cè)試的理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的分析。

表2 系統(tǒng)采集測(cè)試數(shù)據(jù)

由表可知，電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)采集性能良好精度極高，誤差在0.5%以內(nèi)，不足1%，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度傳感器的數(shù)據(jù)采集。

4.2.2 系統(tǒng)控制測(cè)試

系統(tǒng)試驗(yàn)，實(shí)物連接如圖10。步進(jìn)電機(jī)連接于系統(tǒng)外部，方便連接閥體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，編碼器安裝在步進(jìn)電機(jī)尾部，驅(qū)動(dòng)器安裝在系統(tǒng)內(nèi)部。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制測(cè)試，分別進(jìn)行絕對(duì)控制測(cè)試和相對(duì)控制測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3和表4。

表3 系統(tǒng)絕對(duì)控制測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 系統(tǒng)相對(duì)控制測(cè)試數(shù)據(jù)

由表可知，電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)控制性能良好且精度極高，經(jīng)過(guò)控制旋轉(zhuǎn)后的步進(jìn)電機(jī)角度值距離設(shè)定的目標(biāo)值不超過(guò)0.1°，誤差也在1%以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)和閥芯的高精度控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從火箭供配氣測(cè)試需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于STM32的電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)，具體包括模擬量采集調(diào)理電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路和編碼器通訊電路設(shè)計(jì)，模擬量采集時(shí)序和步進(jìn)電機(jī)控制算法設(shè)計(jì)等。經(jīng)過(guò)計(jì)算和檢驗(yàn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、采樣精度和控制精度均正常。因此，電動(dòng)節(jié)流閥控制采集系統(tǒng)運(yùn)行正常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，可為后續(xù)的系統(tǒng)升級(jí)和深入研究打下基礎(chǔ)。

但是在步進(jìn)電機(jī)多圈控制處理中，電機(jī)的過(guò)圈處理可能會(huì)存在漏讀，這是由于當(dāng)步進(jìn)電機(jī)角度在上一周期讀值接近了360°，下一次旋轉(zhuǎn)可能超過(guò)了過(guò)一圈處理的范圍，故此需要將過(guò)圈處理的范圍增大，即可解決這一問(wèn)題。