蠕動泵步進電機控制電路

概 述
 
流动注射分析技術可对液体样品进行快速测定,具有重现性好、自动化程度高等优点 ,在农业、环保、医药、食品、冶金等领域得到广泛应用[ 1] 。
 
在使用蠕動泵做驅動裝置的流動注射分析系統中,蠕動泵的运行状况 , 特别是泵速的稳定性, 直接影响着系统的测量精度。步进电机运行速度及运行方向容易控制, 起动和停止迅速, 步距精确, 适合作蠕動泵的驱动装置。我们设计了一种步进电机控制电路 ,可以提高蠕動泵泵速的稳定性,减少脉动对测量精度的影响, 取代传统可逆电机控制电路和步进电机环形分配器控制电路[ 2] 。
2 控制原理
 
当步进电机运行方式确定之后, 步进电机的转速只和步进脉冲频率有关 ,步进脉冲频率越高 ,步进电机的转速越高。因此, 控制步进脉冲的频率就可以控制步进电机的转速。以往一般采用定时器或者软件分频的方法控制脉冲的频率, 其脉冲线性度差 , 而且频率越高, 误差越大。
 
利用集成電路AD654 與可編程邏輯器件(GAL)
 

配合,可産生頻率連續可調的步進脈沖信號,實現步進電機的無級調速。
 
2 .1 V/F 集成电路芯片 AD654
 
AD654 是一种将电压信号转换为频率输出(V/ F)的集成电路芯片 , 具有较低的功耗 , 静态时只需要 2mA 的电流。电路结构和引脚功能如图 1 所示。它的内部包含一个输入放大器、一个精确的振荡器系统和一个具有较大输出电流的电压输出口。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 1  AD654 集成电路结构图
 
管脚号及功能:1.可变频率输出口 2.逻辑公共端 3.RC 振荡器的电阻接入端 4.电压输入端 5.电源负端 6 , 7. RC 振荡器的电容输入端 8.电源正端
 
AD654 能较好地适应各种供电系统, 电源从 5V 到 36V ,或者 ±5 ~ ±18V 都可以 , 便于在各种系统中应用。由于输入放大器的低温度漂移(一般在 4μV/ ℃)和高达 250MΨ的输入阻抗 ,所以它能够接
收熱電偶或者應變儀之類直接傳送過來的小信號。 时只有 0 .03 %, 温度系数为±50mg/L/ ℃。
与其他大多数V/F 变换器不同 ,AD654 提供的是方 2 .2  速度控制  
波输出,能够驱动 11 个 TTL 负载或光电耦合器等负 控制电路如图 2 所示。电阻R2 与电位器W1 串
载。只需要简单的外围 RC 电路就能实现宽范围的 联后与电容 C1 组成 AD654 的 RC 振荡系统。其 1
频率输出(**高可达 500kHz), 线性度误差在 250kHz 脚是集电极开路, 外接上拉电阻 R3 。
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AD654 输出脉冲的频率 f 可按下面的公式计算:
 
VIN  
f =10(R1 +W1)C1 (1)
其中 , VIN为 AD654 的4 脚输入电压。
 
从式(1)可以看出, 改变 AD654 输出脉冲频率的办法有三种, 一是改变 4 脚的外部输入电压 VIN , 二是改变电位器 W1 的阻值, 三是改变电容 C1 的电容量。因此输出固定脉冲时, 需要事先设定好这三个参数;输出线性变化脉冲时 ,只需要连续改变其中一个参数或者多个参数。
 
在图 2 所示控制电路中 ,根据实际需要的转速范围 ,事先调整好电位器 W1 和电容 C1 的参数 , 使 AD654 的输出脉冲频率与输入电压 VIN 成正比 。为了接收上位计算机发出的电流信号(0 ~ 20mA), 在电路中设置了电阻 R3 ,这样就能够在AD654 的 4 脚得到连续变化的输入电压, 实现步进脉冲的连续输出,进行无级调速。如果上位计算机发来的是电压信号 ,则不需要设置电阻 R1 ;如果是手动调节, 可通过外接一个调节电位器来改变 AD654 的输入电压 , 实现速度调节。
2 .3 可编程逻辑器件的应用
 
蠕動泵控制电路中使用的是一台额定电压为
 

24V 、额定电流为 4A 的三相反应式步进电机 。这种步进电机的工作方式有三种 ,即单三拍、双三拍和六拍。步进电机在六拍工作方式时, 具有较好的平滑性 ,能产生较大的旋转力矩 ,比其他两种工作方式有更好的高频性能[ 3] 。因此控制電路中步進電機采用六拍工作方式。
 
步进电机工作方式通过可编程逻辑器件实现,如图 2 所示。电路中的 U2 是一种低价格的通用可编程逻辑器件(GAL),作为步进电机脉冲分配器 ,实现对步进电机的控制, 并且把 AD654 产生的脉冲输出作为GAL 芯片的时钟输入 ,从而实现无级调速。
在编制GAL 芯片的应用程序时 , 定义 3 脚为使能端,用来控制步进电机的启停 ;定义 5 脚为方向控制端 ,用来控制步进电机正反向运行。因此我们的程序里有两个控制子程序, 当 3 端为高电平输入时,其中一个子程序启动 , 输出的脉冲信号使步进电机正转 ,另一个程序启动时步进电机反转。由于 3 、5脚输入端只需要普通的高低电位就能实现, 同时 AD654 亦能接收计算机通过数模转换器发出的模拟信号 ,因此该控制电路很容易与计算机控制系统连接 ,实现智能化控制。
 
如果要实现手动控制, 可外加两个控制开关 ,实现启停和方向控制。

16 分析仪器 2002 年第4 期

 
 
3 功率放大電路
 
GAL 产生的脉冲驱动信号经光耦隔离后 , 必须进行功率放大, 才能驱动步进电机。由于恒频脉宽调制功率放大电路不但有较好的高频特性, 而且可有效地减少步进电机的噪声, 降低功耗, 因此, 在基于步进电机的蠕動泵控制电路中采用了恒频脉宽调制功放电路,如图 3 所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 3  功率放大电路

需要说明的是 , 利用图 3 中的电位器 W2 可在一定范围内调节步进电机的驱动力矩, 以适应蠕動泵泵管数量的不同和所需压力的不同。
 
4 結束語
 
应用集成电路 AD654 与可编程逻辑器件设计的蠕動泵步進電機控制電路 ,具有电路结构简单、成本低廉、调试方便的特点,不仅能实现蠕動泵的平稳运行 ,而且能进行无级调速。由于具有良好的智能化接口, 为提高流动注射分析系统的测量精度和流动注射分析过程的自动化程度创造了良好条件。