極譜儀中攪拌電機(jī)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(dá)到快速、均勻富集、提高分析靈敏度的目的。目前各類陽(yáng)極溶出法分析儀、電位溶出法分析儀，以及微機(jī)化伏安儀等，均采用分離式的攪拌控制系統(tǒng)控制工作電極旋轉(zhuǎn)，即在儀器外另設(shè)一個(gè)電源裝置和一套控制電路，通過(guò)手動(dòng)設(shè)定轉(zhuǎn)速，攪拌時(shí)間由儀器內(nèi)部的硬件或軟件給出，控制一臺(tái)15賈直流電機(jī)定時(shí)、定速轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌雜質(zhì)溶液。還有相當(dāng)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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌電機(jī)速度的控制。定電壓v，是按極譜分析轉(zhuǎn)速要求所給定的速度控制模擬量。v.由計(jì)算機(jī)送出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，輸出與轉(zhuǎn)速成比例的電壓值。驅(qū)動(dòng)5份小型直流伺服電機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)在給定速度下轉(zhuǎn)動(dòng)。外界因素如負(fù)載變化，電源波動(dòng)等會(huì)影響轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)恒定值上。

2硬件設(shè)計(jì)

總體框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用80，8單片機(jī)控制5百小型直流電機(jī)，定時(shí)精度為m。級(jí)，最大轉(zhuǎn)速誤差小于0.02%。可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，連續(xù)可控。控制電路與儀器裝于一體，采用sTD標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(jī)主軸一側(cè)。電機(jī)直接帶動(dòng)工作電極轉(zhuǎn)動(dòng)。速度給定電壓v，是按極譜分析轉(zhuǎn)速要所給定的速度控制模擬量。v.由計(jì)算機(jī)送出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，輸出與轉(zhuǎn)速成比例的電壓值。驅(qū)動(dòng)5份小型直流伺服電機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)在給定速度下轉(zhuǎn)動(dòng)。外界因素如負(fù)載變化，電源波動(dòng)等會(huì)影響轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器DAC一232給出，采用雙極性輸出是為了正反轉(zhuǎn)攪拌的需要而設(shè)計(jì)的。最小速度控制分辨率為3000r/。in/(2幾一l)之0.73r/min，最大轉(zhuǎn)速誤差為0.73/3000，0.02%，這種誤差足以滿足攪拌精度的要求。

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(qū)動(dòng)功放電路。T，、n:、R:，和T。、D3、R:.起過(guò)流保護(hù)作用，保護(hù)功放管T;和T。。D:、D;是續(xù)流二極管，以防止T‘、T。被感性負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)擊穿。

2.2.3速度負(fù)反饋電路速度負(fù)反饋電路是由整形、F/v轉(zhuǎn)換、濾波、相位補(bǔ)償、方向識(shí)別和正反轉(zhuǎn)極性控制幾部分構(gòu)成。。.波形整形速度傳感器檢測(cè)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(gòu)成。整形后A、B兩相脈沖接近理想方波脈沖。

b.單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器利用定時(shí)器5“單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生與A相信號(hào)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(rèn)f，得T、“0·lm。。

c.低通有源濾波由R.、c。，R，和c，及運(yùn)放構(gòu)成。單穩(wěn)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(hào)頻率成正比。因此，完成了反饋系統(tǒng)的護(hù)/v轉(zhuǎn)換。

d.相位補(bǔ)償利用滯后一超前相位補(bǔ)償電路R:，、C.和R::、c。實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，目的是為了改善系統(tǒng)的速度響應(yīng)特性。不加補(bǔ)償，系統(tǒng)增益12dB，相位極限僅25“。補(bǔ)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(zhuǎn)動(dòng)方向識(shí)別由D觸發(fā)器、模擬開(kāi)關(guān)4“3和運(yùn)放構(gòu)成。A相脈沖作D觸發(fā)器的cP脈沖，B相脈沖作數(shù)據(jù)輸入。正轉(zhuǎn)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(yùn)放的反相輸入端，完成v，的極性變換。反轉(zhuǎn)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(yùn)放同相端，此時(shí)運(yùn)放為電壓跟隨器。選R:‘研:。二4仆9，則經(jīng)運(yùn)放后Vr大小和極性都不變。

2.3各部分傳遞函數(shù)及增益計(jì)算

3軟件設(shè)計(jì)

采用8。，8匯編語(yǔ)言編制程序。電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間采用漢字提示，人機(jī)對(duì)話方式，由用戶通過(guò)鍵盤鍵入所需數(shù)值。程序設(shè)計(jì)采用模塊化，分為電機(jī)轉(zhuǎn)速子程序、延時(shí)子程序。

3.l電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的數(shù)學(xué)模型

從-3000r/。in~+3000r/，in速度范圍的任一轉(zhuǎn)速N的數(shù)學(xué)模型為D二INT[(NX613000+6)X4095/12](，)通過(guò)鍵盤鍵入值為十進(jìn)制數(shù)，把該值以BCD碼形式存入寄存器Ax中，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。D<80H為電機(jī)反轉(zhuǎn)，D》80H為電機(jī)正轉(zhuǎn)。式中6/3。。。為每增加一轉(zhuǎn)需要增加的電壓值。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速一30000r/min~+300or/min轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的電壓為·6v~+6v，相應(yīng)數(shù)字量為。~FFFH。要求出某一轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，應(yīng)求出相對(duì)一6v的絕對(duì)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(jī)器周期延時(shí)時(shí)間為。·4，8卜。，然后根據(jù)每執(zhí)行一條指令的機(jī)器周期數(shù)，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(diào)用該延時(shí)程序前要把鍵入的轉(zhuǎn)動(dòng)(或停止)時(shí)間的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，并計(jì)算出每次延時(shí)0.5.需幾次才能達(dá)到所需要的時(shí)間，輸入給寄存器AX。

3.3程序流程圖

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的數(shù)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(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，從鍵入相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的程序流程如圖3所示。謐穩(wěn)定性分析速度負(fù)反饋控制的最終目的，是要抑制外界干擾的影響，使系統(tǒng)變量接近設(shè)計(jì)值。為此系統(tǒng)本身必須是穩(wěn)定的。多種因素影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但增益和頻率特性是影響穩(wěn)定性的主要因素，需要重點(diǎn)考慮。

隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下降。實(shí)際轉(zhuǎn)速N和給定轉(zhuǎn)速N。之差△N與給定轉(zhuǎn)速之比△H/N。為速度波動(dòng)率。系統(tǒng)總直流增益越大，速度波動(dòng)率越小。由于系統(tǒng)中存在慣性，太高的增益反而會(huì)使系統(tǒng)振蕩，使穩(wěn)定性下降。多數(shù)情況下，一般伺服系統(tǒng)的增益和相位極限分別控制在20dB和4。“左右。系統(tǒng)是否穩(wěn)定可以由增益和相位關(guān)系的Bode曲線加以分析。如果相位交叉處對(duì)應(yīng)的增益為負(fù)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，反之系統(tǒng)不穩(wěn)定。同樣，也可以根據(jù)相位角判斷。如果增益交又處相位角大于一180度，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的;小于一180度，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。就本系統(tǒng)而言.朱加補(bǔ)償電路前增益為12dB，但相位極限僅25。，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。表現(xiàn)出從發(fā)出速度指令到電機(jī)起動(dòng)達(dá)到給速度過(guò)程很長(zhǎng)，約7ooms，而且產(chǎn)生嚴(yán)重波動(dòng)。犧牲增益換取穩(wěn)定性提高的辦法是不可取的，因?yàn)樵鲆嫦陆禃?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(bǔ)償措施擴(kuò)大相位極限。增加R:、C.和R::C，滯后一~超前相位補(bǔ)償電路后，效果是明顯的。補(bǔ)償后的Bode曲線和系統(tǒng)速度響應(yīng)如圖4(a)、(幼所示。由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)增益提高到13dB，相位極限擴(kuò)大到47。。而且電機(jī)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(bǔ)償前的1/30

6結(jié)束語(yǔ)

本攪拌電機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了儀器小型化，提高了儀器自動(dòng)化程度。

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