劉廣銀，任素萍，劉 帆，李 波，武靈杰

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

石油作為一種常規(guī)能源和化工基礎(chǔ)原料，在我國的國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著石油開采量的增加，油田化學(xué)研究也得到很大的發(fā)展，其中原油脫水是原油開采中必須進(jìn)行的環(huán)節(jié)。原油破乳劑是快速高效去除原油中水分的最有效辦法。針對我國目前原油破乳的使用和研究現(xiàn)狀，以及越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求，對新型高效的破乳劑的研究和應(yīng)用顯得日益緊迫。

在破乳劑的研究中，需要混勻原油和破乳劑。本文研制了一種用于稠油降黏實(shí)驗(yàn)中混勻破乳劑和原油的裝置，提高混勻效率，縮短脫水時(shí)間，降低人力成本，并且能夠廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中各類液液混勻?qū)嶒?yàn)。

1 組成結(jié)構(gòu)及工作原理

該機(jī)構(gòu)由一組凸輪搖臂、連接搖臂、主動齒輪和動齒輪構(gòu)成，基于此結(jié)構(gòu)，研制了一種反復(fù)搖勻試管的實(shí)驗(yàn)裝置。裝置由可編程微處理器控制，通過鍵盤顯示電路設(shè)定參數(shù)，經(jīng)直流電機(jī)驅(qū)動器放大輸出信號，電機(jī)帶動往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)試管的振蕩。同時(shí)采用光電編碼器采集試管的轉(zhuǎn)動位置，反饋到控制器，進(jìn)而適時(shí)控制電磁閥對試管中的廢氣周期性排出。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。

1.1 往復(fù)擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)試管的擺動，并且使電機(jī)的控制簡單化，采取在保持電機(jī)轉(zhuǎn)向不變的情況下周期性改變力矩轉(zhuǎn)向的往復(fù)擺機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。從動齒輪、主動齒輪和電機(jī)，連桿兩個(gè)節(jié)點(diǎn)均為活動鏈接。電機(jī)帶動連桿轉(zhuǎn)動時(shí)，主動齒輪會在連桿的束縛下在一定角度范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，從而帶動從動齒輪往復(fù)運(yùn)動。從動齒輪帶動中心主軸反復(fù)運(yùn)動，即可實(shí)現(xiàn)試管的往復(fù)擺。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且輸出力矩大，能夠帶動較重的試管。

圖1 油水混勻裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Oil and water mixing device

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure

光電編碼器通過連接齒輪與定位齒輪嚙合，從而獲得中心主軸的轉(zhuǎn)動位置信息。由于實(shí)驗(yàn)過程中存在僅一組實(shí)驗(yàn)的情況，也存在同時(shí)幾組對照實(shí)驗(yàn)的可能，因而結(jié)構(gòu)在后期的改進(jìn)中在同一中心軸上增加了多個(gè)試管固定結(jié)構(gòu)。

1.2 部分參數(shù)及理論計(jì)算

（1）傳動比的計(jì)算。主動齒輪、從動齒輪參數(shù)如表1所示。其傳動比：i= Zb/Za=60/100=0.6。

（2）最大擺動角度的計(jì)算。主動齒輪轉(zhuǎn)動角度范圍為-90°～+90°，轉(zhuǎn)過的齒數(shù)為50，故從動齒輪轉(zhuǎn)過50，折合轉(zhuǎn)動角度為360/60×50=300°，完全可以實(shí)現(xiàn)試管的振蕩要求。

表1 齒輪參數(shù)Tab.1Gearparameters

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU 的選用

選用MSP430G2553 單片機(jī)作為控制器。MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996 年開始推向市場的一種16 位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。具有超低功耗、處理能力強(qiáng)、開發(fā)環(huán)境方便簡捷等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計(jì)

L298N 是SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個(gè)H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A 以下的電機(jī)。

L298N 有兩路電源，分別為邏輯電源和動力電源，圖中5V 為邏輯電源，12V 為動力電源。J4 接入邏輯電源，J6 接入動力電源，J1 與J2 分別為單片機(jī)控制兩個(gè)電機(jī)的輸入端，J3 與J5 分別與兩個(gè)電極的正負(fù)極相連，見圖3。

ENA 與ENB 直接接入5V 邏輯電源，即兩個(gè)電機(jī)時(shí)刻都工作在使能狀態(tài)，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只有通過J1與J2 兩個(gè)接口。

2.3 鍵盤顯示電路

圖3 L298N 電路圖Fig.3 L298N Circuit diagram

采用HD7279 鍵盤顯示電路芯片，該芯片是一片智能顯示驅(qū)動芯片，具有串行接口，能夠驅(qū)動8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨(dú)立LED）。該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED 顯示、鍵盤接口的全部功能。

鍵盤顯示電路中，用一片HD7279 芯片驅(qū)動4 位共陰極數(shù)碼管，供裝置相關(guān)參數(shù)的顯示。同時(shí)，外接一4×4 的按鍵模塊，用于進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)定。

3 控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制流程圖如圖4 所示。電機(jī)PWM 調(diào)速[1]：

在對直流電動機(jī)電壓的控制和驅(qū)動中，半導(dǎo)體功率器件（L298）在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。

半導(dǎo)體功率器件工作在線性放大驅(qū)動方式，器件工作在線性區(qū)。其優(yōu)點(diǎn)為控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小。同時(shí)也存在功率低和散熱問題嚴(yán)重缺點(diǎn)。

而開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈調(diào)制（PWM）來控制電動機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動信號為高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓U。t1秒后，驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，驅(qū)動信號重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。電動機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值U 為：

U =（t1×U）/（t1+t2）=( t1×U)/T=D×U

式中：D—占空比（D= t/T）。占空比D 表示了在一個(gè)周期T 里開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。D 的變化范圍為0≤D≤1。當(dāng)電源電壓U 不變的情況下，輸出電壓的平均值U 取決于占空比D 的大小，改變D 值也就改變了輸出電壓的平均值，從而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，即實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)速。

圖4 流程圖Fig.4 Flow chart

在PWM 調(diào)速時(shí)，占空比D 是一個(gè)重要參數(shù)。改變占空比的方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法等。常用的定頻調(diào)寬法，同時(shí)改變t1和t2，但周期T（或頻率）保持不變。

4 總結(jié)

該控制系統(tǒng)簡單高效，能夠?qū)崿F(xiàn)油水混勻的自動化進(jìn)行，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]趙正宏，許絳垣，劉孝,等．工業(yè)安全管理的實(shí)用事故模型及剖析[J]．勞動保護(hù)科學(xué)技術(shù)，1999，3．

[3]張勝強(qiáng)．我國煤礦事故致因理論及預(yù)防對策研究[D]．杭州:浙江大學(xué)，2004．