基于STM32控制的水泵葉片動態調節系統研究

王 璐，董向前，梁 健，鄭安琪

（1.揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127；2.山西水利職業技術學院，山西 運城 044000）

目前傳統的水泵葉片的調節主要是以機械式和液壓式機械裝置作為調節手段。液壓式葉片角度調節方式，一次性所要調節的作用力較大，很容易造成內泄漏，裝置內部工藝水平要求較高，元件發生微小變形會導致液壓泵穩定性變差。同時使用液壓傳動方式調節水泵葉片，其維護要求很高。本研究選用的是利用插齒驅動的機械式調節裝置，更好地避開長期運行造成推力軸承容易抬軸的弊端。目前，常用的水泵葉片角度的調節方法主要有3類：

半調節，停泵后拆卸水泵葉片，才可以改變葉片角度，在目前的泵站系統中，安裝完畢后想要進行半調節較為困難。

停泵全調節，在停泵之后進行機械操作實現調節葉片角度。此種方法較為經濟，但是不符合現代化智能控制。

運行全調節，在水泵運行過程中使用機械操作、電動或者液壓傳動等方法調節葉片的角度。此種調節方式盡管對設備整體的要求較高，但是非常符合目前人工智能的發展方向。

目前，市面上利用電子尺磁致式位移傳感器測量葉片旋轉位移，通過數據轉換將位移長度轉換成角度。這種傳感器使用壽命長但需要非常穩定的電壓輸入，否則會造成輸出磁場的不穩定，導致測量誤差偏差較大。目前泵站機組葉片角度調節系統，不管采用哪種葉輪葉片調節方式，均采用LCU檢測傳感器所測量的葉片角度相關數據，再通過上位機實現葉片角度調節。本文研究采用嵌入式控制器，實時采集泵機組運行水位揚程等參數，控制器集成了泵機組效率運行數據，同時利用高精度角度傳感器安裝在葉輪輪轂內側，通過機械方式實時測量目前葉片角度，利用整定的不同水文工況下對應的葉輪角度，使水泵機組運行在相對高效率區，這樣就構成了獨立的水泵機組葉輪動態反饋調節系統裝置，實現了不同水文工況下水泵機組葉片角度的自動調節，減少了泵機組的調水能耗。由于角度傳感器安裝在葉輪輪轂內側并隨著葉輪一起旋轉，所以，測量數據需要通過無線方式傳送給以STM32芯片為主的水泵葉片機械式調節控制系統。

1 性能參數的改變條件

根據離心泵各參數之間的關系可以看出，當液體流過離心泵運行時涉及到的物理量有：D、Q、H、n、g、μ、b2、β2共8個變量即n1=8，其之間的關系函數方程表示為

式中：D為葉輪直徑；H為揚程；Q為流量；n為轉速；g為重力加速度；μ為液體動力黏度；b2為葉輪出口寬度；β2為葉輪出口角度。

其中，具有3個基本度量單位即m=3，分別是：長度L、時間T和質量M；可以選擇幾何學的量H、運動學的量g和動力學的量μ作為獨立變量。而π相應該有n1-m=5個，所以

先求π1，其量綱式為

解得a1=-1，b1=0，c1=0得出

由上可得

由式（7）～式（12）得出，葉片角度的調整能作為各性能參數的函數方程，由此可得葉片出口角的調整可改變水泵機組的性能。

2 方案設計

本系統由角度傳感器、無線通信模塊、控制單元及水泵葉片角度調節模塊組成。系統運行時，以STM32為測控單元的系統裝置，實時監測目前機組的上下游水位、揚程和流量等水文參數。測控單元內部進行計算并判斷此時水泵機組工作狀態是否是水泵特性曲線的較優區間，若不再反饋至葉片角度調節模塊，調節角度直至工作狀態到達特性曲線的較優區間。如若在水文情況未發生顯著改變時，主控單元需判斷出此時能耗情況，適當調節水泵葉片角度改變流量大小，達到節能的目的。

方案設計如圖1所示。

圖1 方案設計圖

本研究選用切割光柵計數角度傳感器和霍爾傳感器對3500HDQ-7.6型立式泵葉片角度的測量進行研究，所選泵的主要性能參數如下：轉速n=125 r/min；流量Q=24～38 m3/s；揚程范圍H=3～9.7 m；葉片可調節范圍為-8°～+2°。

3 硬件電路

3.1 角度傳感器檢測葉片角度

本設計選用切割光柵計數角度傳感器和霍爾傳感器進行水泵葉片角度的測量，霍爾傳感器是目前使用較多的使用于角度檢測中的一款傳感器，主要是利用磁場的改變來檢測葉片角度的變化。這一點和電子尺磁致式位移傳感器的工作原理類似。小型磁鐵的磁場在芯片表面上方旋轉，其強度可以通過非接觸式的方式測量，角度的改變可以通過磁場的矢量分量計算得到。但磁場間隙變化、溫度變化及老化等因素會導致磁場的變化使得計算出的角度誤差較大。

在實際安裝中，為了達到更加便捷的安裝目的，本研究將角度傳感器放置于葉片輪轂，緊貼輪轂一側，隨著葉片角度的改變，角度傳感器通過直接接觸方式實現角度隨動測量，減小了誤差，提高了測量精度。切割光柵計數角度傳感器又稱為旋轉編碼器，用來專門測量角度變化，旋轉軸可從其中穿過，配合旋轉葉片實現隨動測量。在該傳感器的軸部安裝光柵，通過軸的旋轉，切割光柵。軸每次旋轉切割光柵時，角度傳感器就會計數1次，從而實現葉片角度的調節。

本研究選用的切割光柵計數角度傳感器在安裝使用上更為便捷，水泵安裝時直接安裝在輪轂內側，與葉片軸緊密貼合，和傳統的霍爾傳感器相比，軸旋轉切割光柵計數傳感器測量方式大大減少了溫度、老化和磁場改變所形成的誤差。

3.2 STM32控制電路

STM32系列芯片是目前系列芯片中具有較高性能的微控制器，內設的資源對數據的甄選和判別起到很大的作用。這一款芯片具有低耗、高穩定性和抗干擾力強等優點。本研究選用STM32 F103C8T6芯片作為系統裝置的主控芯片，其工作頻率為72 MHz，程序存儲器容量64 K，工作電壓2～3.6 V，共有48個I/O口。

3.3 水泵葉片調節電路

選用全角度葉片調節裝置，在L293D電機驅動下，電機轉動制動桿，當油缸制動桿沒有壓力施加于制動滑塊時，無制動便可使調節桿旋轉，調節傘齒轉動則水泵葉片角度發生改變。流量監測裝置實時監測反饋至STM32芯片，直到角度傳感器檢測到合適角度，實時葉片角度經過芯片計算得出此時水泵工作在較高效率的區間內，電機停止工作，調節裝置中的制動桿旋轉讓油缸產生壓力，制動滑塊產生制動力，固定住調節傘齒使水泵在較佳狀態下持續工作。電機驅動葉片調節電路如圖2所示。

圖2 水泵葉片電機驅動電路

3.4 水位與流量監測

本研究對于水位與流量的檢測選用雷達水位計，其主要組成有：發射和接收模塊、信號處理模塊及天線等幾部分。利用雷達水位計的3種工作方式，發射電磁波經被測物體表面反射并被天線接收。由于電磁波的傳輸速度是常數，利用電磁波發射和接收的時間計算距離，從而實現對水底到水面距離的測量，精確計算出水位。將檢測出的水位情況傳送到STM32芯片內部計算，實現后期葉片調節并使水泵工作在較優且節能的狀態。

4 特性曲線仿真

本研究選用南水北調寶應站，實現南水北調規劃的東線一期水利調度工程。該工程需以流量為100 m3/s實現江水北調，采用4臺3500HDQ-7.6型立式泵單機流量范圍24～38 m3/s，設計揚程3.4～10 m。根據實時調節監控在同工況下改變葉片角，具體流量改變見表1及如圖3所示。

表1 不同葉片角安放下的流量

圖3 不同葉片角安放下的流量折線圖

5 結束語

該研究通過理論與實驗，具體研究了根據實時的水位、泵機組揚程、水泵葉輪角度及泵機組裝置效率之間的匹配關系。利用角度傳感器檢測水泵葉片角度提高整個水泵工作性能。成立了獨立的水泵機組葉輪動態反饋調節系統裝置。通過函數關系推導出葉片角度對葉片性能的影響；并且模擬不同角度下流量的變化趨勢。在原本進行每2°調節的基礎上精確到1°調節，其流量的調整更為精確。該研究結合實時水文情況的改變，利用伯努利方程計算相應角度下的流量，從而選擇水泵工作較優狀態，達到可持續、高效的目的。