基于KL25逆流色譜儀自動平衡控制系統的設計

北京工商大學材料與機械工程學院 霍亮生 胡賽峰 趙天廣 李岳峰

逆流色譜儀因能利用高速行星運動實現短時間內對混和物質的高效分離和制備而得到廣泛應用[2,3,4]。但是由于行星輪系結構復雜[5]，管路內液體會因高速旋轉運動質量分布發生變化，致使它在運動過程中實際轉子的中心慣性主軸偏離旋轉軸線[6]。因此當逆流色譜儀運轉時，由質量分布發生變化產生的離心慣性力不是一個平衡力系，從而產生周期性的振動。

質量分布改變產生的離心力是逆流色譜儀主要的振源，致使儀器產生振動和噪聲，加速軸的疲勞，軸承等零件的損耗，降低逆流色譜儀的分離純度和質量，并且制備轉速無法提升。因此，逆流色譜儀在使用過程中，必須進行在線動平衡。

傳統的逆流色譜儀為降低噪聲都是增加箱體厚度。在消除轉子不平衡方面，主要是安裝前進行關鍵部件的動平衡，或對行星傳動系統進行單面動平衡，并未對整機在工作狀態下進行自動平衡[1]。由于只對部分部件進行平衡或只對單面進行動平衡，與整個儀器在實際運行中的情況存在較大的差異，平衡精度難以保證。離線動平衡存在停機時間長、平衡速度慢等缺陷，故本文提出了對逆流色譜儀進行雙面自動平衡的方法。該系統擬利用自動平衡裝置，使儀器在工作運轉狀態下補償轉子的不平衡，實現不停機的運行過程中及時補償實際工作環境中出現的隨機不平衡。它具有平衡精度高、平衡速度快、成本低等優點，為逆流色譜儀的動平衡技術研究和發展提供依據。

1 控制系統總體設計

逆流色譜儀自動平衡機械系統的功能示意圖如圖1、圖2所示。

逆流色譜儀動平衡機械系統主要由逆流色譜儀和平衡頭組成。逆流色譜儀的液相分離是由行星輪的公轉和自傳實現。動力由交流電機伺服系統輸入，經由行星架傳遞到和行星架固定為一體的太陽輪，從而使動力經過太陽輪傳遞到行星輪，帶動輪轂，輪轂中的液相實現分離的目的。平衡頭安裝在行星架上且互相垂直，完成對系統的平衡；振動傳感器將振動的加速度信號轉化為成比例的電壓信號；伺服電機系統含有Z相脈沖可實現對轉子速度的監測。振動和轉速信號經過控制系統處理，根據設定振動量的要求，不斷調整平衡質量的位置，使逆流色譜儀的振幅減小到設定要求以下，最后實現逆流色譜儀雙面動平衡。

圖1 逆流色譜儀自動平衡系統示意圖

圖2 平衡頭和電池位置示意圖

圖3 控制系統示意圖

逆流色譜儀平衡控制系統如圖3所示。控制系統將振動傳感器的信號進行處理，并把計算出的平衡塊的位置和大小顯示在顯示器上，同時將平衡頭的電機運動方式通過無線通訊模塊傳輸到平衡控制模塊，從而控制各個電機運動實現雙面動平衡。

2 控制系統硬件結構設計

2.1 系統核心MKL25Z128VFT4[7,8]

本系統采用Freescale公司KinetisKL25 MCU，擁有48MHz內核頻率，工作電壓為1.71V～3.6V。KL25Z128VFT4是低功耗、低價格、高性能的微控制器。基于ARM’s Cortex-M內核的32位MCU內核，1.77 CoreMark?/MHz單周期訪問內存。內存包括：高達128KB閃存；高達16KB SRAM。一個6通道TPM；兩個2通道TPM；2通道周期中斷定時器；實時時鐘；低功耗定時器；兩個I2C模塊；一個低功耗UART模塊和兩個正常UART模塊。以MKL25為核心，將平衡控制模塊所用到的與各單元有關的IO端口引出，就能設計出平衡控制模塊的核心部分。本設計主要用到MKL25的UART、TPM、GPIO等單元。

圖4 振動信號傳遞框圖

2.2 振動信號處理

振動傳感器把測到的逆流色譜儀的加速度轉換為電信號輸出，但還不能直接將信號輸入到顯示屏上。由于支承轉子的軸承、結構以及充入液體量的影響，不平衡轉子旋轉產生的實際轉軸振動信號中，除包含同頻振動分量外，通常都包含有很多的噪聲，特別是當不平衡量很小時，信噪比很低[9]。故需要經過電路進行濾波，去除噪聲，再經過放大積分，將需要的信息提取出來。系統采用HZ-892A一體化振動變送器，振動傳感器由加速度敏感元件及測量、轉換、積分、放大、變送等主要電路組成（見圖4）。

2.3 平衡頭結構

動平衡頭主要是由直流永磁電機、脈沖編碼器、絲杠和平衡質量塊組成。直流電機的控制通過兩路PWM實現，通過控制PWM的占空比實現對電機轉速和正反轉的控制，控制精度高。電機通過減速器減速的同時增大扭矩，驅動絲杠，絲杠上的平衡質量塊與行星架之間由一個導向鍵連接，從而實現質量塊的直線運動。通過脈沖編碼器可以準確計算出質量塊的移動距離，為實現動平衡奠定基礎。

圖5 平衡頭示意圖

3 控制系統軟件設計

3.1 平衡策略

1)開機前設置振動量要求，重點是幅值；

2)開啟電機至工作轉速，PC開始接收振動傳感器的信號；

3)檢測振動信號的幅值是否超出設定值，如果超出則開啟平衡程序，否則逆流色譜儀正常工作。

3.2 平衡程序

1)調節直流電機使平衡質量處在電機的遠端，保持工作轉速，測取兩個振動傳感器的信號，得出振動幅值和相位，其矢量分別；通過，得出I、II兩個平面的試加質量，K通過下表查取；

表1 雙欄表格示例(7.5號宋體，加黑)Tab. 1 Example of a double column table (Word Style “Times New Roman”)

2)計算出P1分解在I面兩個直角坐標軸上的移動距離，分別移動I面上的電機，測取此時的振幅和相位，其矢量分別為A01、B01；

3)將I面上的電機回歸至原始位置，將P2分解在II面兩個直角坐標軸上的移動距離，分別移動II面上的電機，測取此時的振幅和相位，其矢量分別為A02、B02；

4)計算加重產生的效應：

在平面I上加試重P1，兩個振動傳感器產生振動效應為A1、B1為：

在平面II上加試重P2，兩個振動傳感器產生振動效應為A2、B2為：

5)計算影響系數α：

需求出分別在兩個平面上加重對兩個測點的四個影響系數。

在平面I上加試重P1，兩個振動傳感器產生影響系數為a11、a12為：

在平面II上加試重P2，兩個振動傳感器產生影響系數為a21、a22為：

上述影響系數α的下角標含義是：第一位數表示平面編號，第二位表示測點編號。

圖6 控制算法流程圖

6)假設加在兩平面上的平衡質量為Q1、Q2，則可得方程式：

最終求得Q1、Q2。

7)控制I、II平面的電機分別移動，使得合成量為Q1、Q2。

8)逆流色譜儀正常運行，結束平衡程序。

3.3 流程圖（見圖6）

4 結論

逆流色譜儀自動平衡控制系統以MKL25Z128VFT4為核心，集成了振動信號處理、平衡頭的控制算法，在逆流色譜儀的振動超出設定值時，通過電機帶動質量塊平衡逆流色譜儀，能夠實現實時、不停機、準確迅速平衡。因此，在逆流色譜儀高效分離方面具有重要意義。同時本控制機械結構簡單小巧，也可安裝應用在工作空間狹小的設備上。對振動設定需要一定的經驗。

[1]裴海閏.圓盤嵌入式螺旋管高速逆流色譜儀的研制及應用評價[D].北京:北京工商大學,2010.

[2]杜慶寶.大容置三柱串聯型高速逆流色譜儀的研制及應用[D].浙江:浙江工商大學,2013.

[3]Ito Y.Countercurrent chromatography:theory and practice[M].New York:Marcel Dekker,1988.

[4]Ito Y,Bowman R L.Countercurrent chromatography:liquid-liquid partition chromatography without solid support[J].Science,1970,167:281-283.

[5]霍亮生,顧祖寶,曹雪麗,等.基于逆流色譜的分離設備動平衡性能測試系統設計[J].食品科學技術學報,2014,32(4):45-49.

[6]楊國安.轉自動平衡實用技術[M].北京:中國石化出版社,2012:9-30.

[7]Freescale Semiconductor.K60 Sub-Family Data Sheet[OL/EB].(2011.4).http://www.ic37.com/FREESCALE/MK60N_datasheet_11725929/.

[8]王宜懷,吳瑾,蔣銀珍.嵌入式原理與實踐—ARM Cortex-M4 Kinetis 微控制器[M].北京:電子工業出版社, 24-34.

[9]陶利民.轉子高精度動平衡測試與自動平衡技術研究[D].北京:國防科學技術大學研究生院,2006.