基于KL25逆流色谱仪自动平衡控制系统的设计

北京工商大学材料与机械工程学院 霍亮生 胡赛峰 赵天广 李岳峰

逆流色谱仪因能利用高速行星运动实现短时间内对混和物质的高效分离和制备而得到广泛应用[2,3,4]。但是由于行星轮系结构复杂[5]，管路内液体会因高速旋转运动质量分布发生变化，致使它在运动过程中实际转子的中心惯性主轴偏离旋转轴线[6]。因此当逆流色谱仪运转时，由质量分布发生变化产生的离心惯性力不是一个平衡力系，从而产生周期性的振动。

质量分布改变产生的离心力是逆流色谱仪主要的振源，致使仪器产生振动和噪声，加速轴的疲劳，轴承等零件的损耗，降低逆流色谱仪的分离纯度和质量，并且制备转速无法提升。因此，逆流色谱仪在使用过程中，必须进行在线动平衡。

传统的逆流色谱仪为降低噪声都是增加箱体厚度。在消除转子不平衡方面，主要是安装前进行关键部件的动平衡，或对行星传动系统进行单面动平衡，并未对整机在工作状态下进行自动平衡[1]。由于只对部分部件进行平衡或只对单面进行动平衡，与整个仪器在实际运行中的情况存在较大的差异，平衡精度难以保证。离线动平衡存在停机时间长、平衡速度慢等缺陷，故本文提出了对逆流色谱仪进行双面自动平衡的方法。该系统拟利用自动平衡装置，使仪器在工作运转状态下补偿转子的不平衡，实现不停机的运行过程中及时补偿实际工作环境中出现的随机不平衡。它具有平衡精度高、平衡速度快、成本低等优点，为逆流色谱仪的动平衡技术研究和发展提供依据。

1 控制系统总体设计

逆流色谱仪自动平衡机械系统的功能示意图如图1、图2所示。

逆流色谱仪动平衡机械系统主要由逆流色谱仪和平衡头组成。逆流色谱仪的液相分离是由行星轮的公转和自传实现。动力由交流电机伺服系统输入，经由行星架传递到和行星架固定为一体的太阳轮，从而使动力经过太阳轮传递到行星轮，带动轮毂，轮毂中的液相实现分离的目的。平衡头安装在行星架上且互相垂直，完成对系统的平衡；振动传感器将振动的加速度信号转化为成比例的电压信号；伺服电机系统含有Z相脉冲可实现对转子速度的监测。振动和转速信号经过控制系统处理，根据设定振动量的要求，不断调整平衡质量的位置，使逆流色谱仪的振幅减小到设定要求以下，最后实现逆流色谱仪双面动平衡。

图1 逆流色谱仪自动平衡系统示意图

图2 平衡头和电池位置示意图

图3 控制系统示意图

逆流色谱仪平衡控制系统如图3所示。控制系统将振动传感器的信号进行处理，并把计算出的平衡块的位置和大小显示在显示器上，同时将平衡头的电机运动方式通过无线通讯模块传输到平衡控制模块，从而控制各个电机运动实现双面动平衡。

2 控制系统硬件结构设计

2.1 系统核心MKL25Z128VFT4[7,8]

本系统采用Freescale公司KinetisKL25 MCU，拥有48MHz内核频率，工作电压为1.71V～3.6V。KL25Z128VFT4是低功耗、低价格、高性能的微控制器。基于ARM’s Cortex-M内核的32位MCU内核，1.77 CoreMark®/MHz单周期访问内存。内存包括：高达128KB闪存；高达16KB SRAM。一个6通道TPM；两个2通道TPM；2通道周期中断定时器；实时时钟；低功耗定时器；两个I2C模块；一个低功耗UART模块和两个正常UART模块。以MKL25为核心，将平衡控制模块所用到的与各单元有关的IO端口引出，就能设计出平衡控制模块的核心部分。本设计主要用到MKL25的UART、TPM、GPIO等单元。

图4 振动信号传递框图

2.2 振动信号处理

振动传感器把测到的逆流色谱仪的加速度转换为电信号输出，但还不能直接将信号输入到显示屏上。由于支承转子的轴承、结构以及充入液体量的影响，不平衡转子旋转产生的实际转轴振动信号中，除包含同频振动分量外，通常都包含有很多的噪声，特别是当不平衡量很小时，信噪比很低[9]。故需要经过电路进行滤波，去除噪声，再经过放大积分，将需要的信息提取出来。系统采用HZ-892A一体化振动变送器，振动传感器由加速度敏感元件及测量、转换、积分、放大、变送等主要电路组成（见图4）。

2.3 平衡头结构

动平衡头主要是由直流永磁电机、脉冲编码器、丝杠和平衡质量块组成。直流电机的控制通过两路PWM实现，通过控制PWM的占空比实现对电机转速和正反转的控制，控制精度高。电机通过减速器减速的同时增大扭矩，驱动丝杠，丝杠上的平衡质量块与行星架之间由一个导向键连接，从而实现质量块的直线运动。通过脉冲编码器可以准确计算出质量块的移动距离，为实现动平衡奠定基础。

图5 平衡头示意图

3 控制系统软件设计

3.1 平衡策略

1)开机前设置振动量要求，重点是幅值；

2)开启电机至工作转速，PC开始接收振动传感器的信号；

3)检测振动信号的幅值是否超出设定值，如果超出则开启平衡程序，否则逆流色谱仪正常工作。

3.2 平衡程序

1)调节直流电机使平衡质量处在电机的远端，保持工作转速，测取两个振动传感器的信号，得出振动幅值和相位，其矢量分别；通过，得出I、II两个平面的试加质量，K通过下表查取；

表1 双栏表格示例(7.5号宋体，加黑)Tab. 1 Example of a double column table (Word Style “Times New Roman”)

2)计算出P1分解在I面两个直角坐标轴上的移动距离，分别移动I面上的电机，测取此时的振幅和相位，其矢量分别为A01、B01；

3)将I面上的电机回归至原始位置，将P2分解在II面两个直角坐标轴上的移动距离，分别移动II面上的电机，测取此时的振幅和相位，其矢量分别为A02、B02；

4)计算加重产生的效应：

在平面I上加试重P1，两个振动传感器产生振动效应为A1、B1为：

在平面II上加试重P2，两个振动传感器产生振动效应为A2、B2为：

5)计算影响系数α：

需求出分别在两个平面上加重对两个测点的四个影响系数。

在平面I上加试重P1，两个振动传感器产生影响系数为a11、a12为：

在平面II上加试重P2，两个振动传感器产生影响系数为a21、a22为：

上述影响系数α的下角标含义是：第一位数表示平面编号，第二位表示测点编号。

图6 控制算法流程图

6)假设加在两平面上的平衡质量为Q1、Q2，则可得方程式：

最终求得Q1、Q2。

7)控制I、II平面的电机分别移动，使得合成量为Q1、Q2。

8)逆流色谱仪正常运行，结束平衡程序。

3.3 流程图（见图6）

4 结论

逆流色谱仪自动平衡控制系统以MKL25Z128VFT4为核心，集成了振动信号处理、平衡头的控制算法，在逆流色谱仪的振动超出设定值时，通过电机带动质量块平衡逆流色谱仪，能够实现实时、不停机、准确迅速平衡。因此，在逆流色谱仪高效分离方面具有重要意义。同时本控制机械结构简单小巧，也可安装应用在工作空间狭小的设备上。对振动设定需要一定的经验。

[1]裴海闰.圆盘嵌入式螺旋管高速逆流色谱仪的研制及应用评价[D].北京:北京工商大学,2010.

[2]杜庆宝.大容置三柱串联型高速逆流色谱仪的研制及应用[D].浙江:浙江工商大学,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,顾祖宝,曹雪丽,等.基于逆流色谱的分离设备动平衡性能测试系统设计[J].食品科学技术学报,2014,32(4):45-49.

[6]杨国安.转自动平衡实用技术[M].北京:中国石化出版社,2012:9-30.

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

[8]王宜怀,吴瑾,蒋银珍.嵌入式原理与实践—ARM Cortex-M4 Kinetis 微控制器[M].北京:电子工业出版社, 24-34.

[9]陶利民.转子高精度动平衡测试与自动平衡技术研究[D].北京:国防科学技术大学研究生院,2006.