深海环境模拟实验装置压力控制系统设计

摘要：为了模拟深海高压环境，研制了一套深海环境模拟试验装置，在对深海环境模拟装置控制系统结构原理分析的基础上，提出了一种针对压力的阔环控制策略，采用以Atmega8L单片机为核心的主控电路、以ECN30206为核心的驱动电路、以Max7219为核心的显示电路，设计了稳压控制的定频调宽变速控制系统的硬件电路，并进行了相应的软件编制，实现了控制电路各模块的自由组合，以满足不同场合的需求，又可组成闭环控制系统，不但能够显著提高深海环境模拟装置的压力控制精度，同时还具有节能的效果。
关键词：深海环境；模拟试验装置；压力控制；电路设计

深海海底有大量的矿产资源和微生物群落，对该环境下进行的生物成矿作用、生命起源等的问题研究，将有助于阐明深海微生物受压力调节的代谢机制，获得宝贵的极端环境基因资源，对地质学、地球化学和生命科学等一系列学科研究具有重大的意义。然而由于其处于深海极端环境这一特殊性，难以身临其境进行观察与研究，需要在实验室建立海底极端环境的模拟系统进行实验来配合相关科学研究。
针对深海环境的特殊性，开发了一套耐高温高压的模拟试验装置，本文主要探讨该装置压力精确稳定控制电路设计及控制软件开发中的相关问题。

1 设计要求及系统组成
1．1 设计要求
研究工作以及要达到的技术指标如下：
1)压力控制范围为0～20 MPa，精度为+2％FS，最小的压力梯度为1％／min；
2)对压力的精确稳定控制，在全工作范围内连续可调；
3)对压力、流量实时曲线及数字显示，具有曲线记录及回放功能。
1．2 系统组成
该模拟实验装置主要包括由水泵、深海环境模拟舱、水箱和管路等组成的深海环境模拟系统，及其监测与控制系统，可模拟海底热液口的极端海洋环境，也可模拟一般的海洋环境，还可以完成样品的培养、加样、取样等，其中泵的流量可以根据需要在输出流量范围内无级调节，功能切换可以通过截止阀的开或关来实现。监测与控制系统主要完成温度、压力、流量等参数的监测及控制。整个系统构成如图1所示。

本文主要介绍压力精确稳定控制系统的设计，其它部分另文介绍。系统中的电机选用调速性能好、体积小、效率高的三相无刷直流电机，因为单片机价格低，片内资源丰富，且可以灵活编制程序，所以采用以单片机为核心的控制系统。工作时，传感器把检测到的管路压力及负载转速反馈到单片机，进一步去触发由PI构成的调速系统，以PWM方式对电机进行调速，电机带动油泵工作提供连续可调的压力源。

2 控制系统硬件电路设计
控制系统总体框图如图2所示，本控制系统主要由控制电路、驱动电路、显示电路、RS485接口电路组成。本系统是速度闭环系统，霍尔位置传感器的位置信号处理后送专用驱动芯片后产生一个速度脉冲信号，经单片机处理转换成转速，再运用增量式Pl算法，得到PWM控制信号，经光电耦合电路驱动专用集成驱动芯片闭环控制电机转速；同时单片机还监控控制系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压等故障时单片机将封锁PWM输出信号，使电机停机，并通过LED电路显示故障。考虑到应用的场合不同，对控制系统的需求也不同，本文设计各功能部件时考虑相互独立性并保留好相应的接口以便构成一个完整的系统。

2．1 控制电路设计
控制电路主要由Atmega8L单片机、PWM信号产生及处理电路、电流检测电路、转速检测电路、隔离电路及接口电路组成。
2．1．1 PWM信号产生及处理电路设计
在本控制系统中，主要是利用ATmega8L内部定时器产生定频调宽的PWM波信号来控制无刷直流电机的转速。这里采用ATmega8L的Timer2工作在快速PWM模式下，产生高频的PWM波形，波形产生后需要进行处理才能得到所想要的输出信号，处理电路如图3所示。

2．1．2 电流检测电路设计
本文采用Allegro公司的ACS712集成芯片扩展外围电路进行测量。ACS712由霍尔元件、霍尔电流驱动元件、偏差调整电路、信号恢复电路、信号放大电路组成，具有价格低、精度高、绝缘性能好等特点。电流检测电路如图4所示。ACS712在电流为零时7脚Vo输出2．5 V，故设计了一个精密电阻RP1分压产生2．5 V电压，使放大电路输出电压Uo从0 V开始线性变化；为提高电阻分压带负载能力，既使2．5 V电压不随后级电路影响，这里采用了一级电压跟随器使输出Ui2为2．5 V。据叠加原理可算出图4中Uo为：

从式(3)可以看出输出电压与夹在1、2和3、4脚之间电流成正比。将此电压送入ATmega8L的A／D转换器处理即可得到电机的工作电流，应用此电流可以对无刷直流电机进行转矩闭环控制及过流保护。
2．1．3 转速检测电路设计
转速检测对于控制系统非常重要，由于控制系统主要是由转速构成的闭环控制系统，所以获得电机转速是控制系统的关键。由驱动电路通过霍尔IC输出位置信号，无刷直流电机每转一周输出12个脉冲FG信号，但这些脉冲信号干扰比较大，不能直接被ATmega8L处理，所以必须对脉冲FG信号进行滤波提取。如图5所示，由于驱动电路开路输出，所以电路加了上拉电阻R11。FG信号谐波比较多，设置C4起到滤波的作用，其值大小比较难确定，需要通过实验调整。FG信号通过P521在3脚产生一个比较稳定、无谐波的FG’信号，其中G5不能选用过大，否则FG’信号会失真，以致ATmega8L识别不出来。ATmega8L内部Timerl具有16位的输入捕捉单元，通过外部引脚ICP1来捕捉外部事件。读取ICR1时捕捉寄存器先读低字节ICR1L，然后再读捕捉寄存器高字节ICR1H。再根据两次捕捉寄存器的差值就可以算出电机转速。