CN103629095B - 小型隔膜泵模拟变频系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

小型隔膜泵模拟变频系统及其控制方法，该系统包括一PWM开关电源，该PWM开关电源分别连接一由直流电机驱动的隔膜泵和一带DAC转换电路的单片机；隔膜泵与单片机之间设置有一流量传感器或压力传感器。本发明与传统方法的最大不同在于使用多电压输出的控制电路，同时在泵后增加压力传感器或流量传感器来监测泵的出力状态，与电路的输出电压协同控制以实现类似变频效果，从而达成恒压或恒流量的工作目标。该系统及其控制方法可以自动调整水泵的功耗至最佳，可以稳定超纯水指标、保持取水流速恒定、保持系统产量稳定，环保节能。

Description

小型隔膜泵模拟变频系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及小型水纯化系统，尤其是指一种小规模流体增压或循环系统。

背景技术

现有小规模流体增压系统（如反渗透纯水机）或循环系统（如实验室超纯水系统）中，直流有刷电机驱动之小型隔膜泵是常用的驱动泵形式，而这类水泵由于采用有刷电机、固定功率工作，与绝大多数恒频率水泵一样，它的扬程-水量呈近反比曲线关系。当泵的入口压力变化，或泵后的元件压损变化时，往往就意味着它的水量、扬程也将发生变化，无法适应多种条件下系统对水量或压力相对保持恒定、或根据条件做出适应性功率调整的要求。同时，该类泵即使同一泵型也难以确保即使同一批次个体出力的一致性，通常这个差异可高达10%以上，且在运行初期（冷电机）和一段时间后（热电机）也会出现泵出力的一定幅度变化。这些缺陷都会在特殊应用要求下暴露问题和不足，具体举例如下：

对于使用该类泵的小型反渗透纯水系统而言，冬季水温大幅下降，反渗透膜的纯水产量也将随水温降低而大幅下降，此时如需使纯水产量适当提升就必须加大泵的出力、提高反渗透膜的工作压力，而恒频率泵无法在不提高回收率的前提下实现这点，提高回收率则会影响反渗透膜寿命并降低产水质量，且需要人工干预进行调整；

对于需要恒定流速的循环水系统而言，该类隔膜泵的个体参数差异及出力的不稳定性，以及泵出口元件压损的变化都会导致介质循环流速的变化，难以实现恒流速目标。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明提供一种小型隔膜泵模拟变频系统及其控制方法。该系统及其控制方法可以自动调整水泵的功耗至最佳，可以稳定超纯水指标、保持取水流速恒定、保持系统产量稳定，环保节能。

为实现上述目的，本发明技术方案为：

小型隔膜泵模拟变频系统，该系统包括一PWM开关电源，该PWM开关电源分别连接一由直流电机驱动的隔膜泵和一带DAC转换电路的单片机；隔膜泵与单片机之间设置有一流量传感器或压力传感器。

进一步的，PWM开关电源的PWM电源IC的输出电压由参考电压Vref和反馈电压Vfb共同决定，参考电压Vref由单片机的DAC转换电路提供；反馈电压Vfb取自PWM开关电源的输出端。

进一步的，PWM开关电源的输出端连接隔膜泵的电源输入端。

小型隔膜泵模拟变频控制方法，包括以下几个步骤：步骤一：系统启动，PWM开关电源首先输出最低点电压使隔膜泵运行；步骤二：单片机采集压力传感器或流量传感器的信号值，并与预设的目标值进行比较，判断传感器的信号值是否达到预设的目标值；当传感器的信号值达到预设的目标值时，执行步骤三；否则执行步骤四；步骤三：保持当前输出电压；步骤四：通过控制PWM开关电源逐步调整输出电压，判断传感器的信号值是否达到预设的目标值；当传感器的信号值达到预设的目标值时，执行步骤三；否则执行步骤五；步骤五：判断输出电压是否达到上限值或下限值；当输出电压达到上、下限值，并且传感器的信号值仍无法达到预设的目标值时，保持限值电压或报警停机；否则执行步骤四。

本发明与现有产品相比的有益之处在于：

本发明就是利用直流有刷电机驱动的隔膜泵可在相对较宽直流电压范围下工作的特点（如DC24V额定电压的隔膜泵通常可以在DC16-26V范围正常工作），利用PWM电源集成IC配合单片机DAC转换电路，设计改变隔膜泵的输入电压，辅以隔膜泵后的流量传感器或压力传感器的信号反馈，来进行相对精确的恒压力或恒流量控制，由于这种泵出力的变化并非通过改变其电机的频率，而是通过改变其输入电压来实现的，效果类似变频，故称其为“模拟变频控制技术”。

本发明技术方案与现有技术方法或装置的不同之处在于：

现有方法或装置只能为水泵提供恒定的额定工作电压，因而只能通过严格限定系统的工作条件、选择更加合适出力的泵型或预留足够正偏离技术指标空间的方式来弥补因使用直流有刷定频率电机驱动之隔膜泵带来的不足，例如：在以该类泵增压的小型反渗透纯水系统中，必须以接受冬季产量下降、并限定系统的入口压力范围为前提来确保系统的正常运行；在严格的恒流量循环系统中，则必须采用成本更高的可调速电机驱动的其它泵型来解决，或者不得不接受一定范围内的流量变化为代价。

本发明与传统方法的最大不同在于使用多电压输出的控制电路，同时在泵后增加压力传感器或流量传感器来监测泵的出力状态，与电路的输出电压协同控制以实现类似变频效果，从而达成恒压或恒流量的工作目标。

在实际应用中，通过模拟变频技术可以带来以下有益效果——

以小型反渗透纯水系统为例，可以在冬季水温变化时通过加大反渗透膜的工作压力保持系统产量稳定；同时，对不同原水压力条件，系统可以自动调整水泵的功耗至最佳，有利环保节能；

在实验室超纯水系统的循环回路中，恒流量的控制则可以起到稳定超纯水指标、保持取水流速恒定的作用；

本技术可以克服隔膜泵个体参数差异带来的系统整体运行指标难以精确控制的难题，简化系统集成后的质控难度；

通过泵出口的传感器信号反馈，还可以对水泵的性能状况自动识别提供更多诊断依据，如泵在失压后将无法产生足够出力（压力或流量）。

附图说明

图1是本发明小型隔膜泵模拟变频系统结构示意图；

图2是本发明小型隔膜泵模拟变频系统控制程序流程图。

具体实施方式

如图1所示的小型隔膜泵模拟变频系统，该系统包括一PWM开关电源，该PWM开关电源分别连接一由直流电机驱动的隔膜泵和一带DAC转换电路的单片机；隔膜泵与单片机之间设置有一流量传感器或压力传感器。

PWM开关电源的PWM电源IC的输出电压由参考电压Vref和反馈电压Vfb共同决定，参考电压Vref由单片机的DAC转换电路提供；反馈电压Vfb取自PWM开关电源的输出端。PWM开关电源的输出端连接隔膜泵的电源输入端。

如图2所示的小型隔膜泵模拟变频控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：系统启动，PWM开关电源首先输出最低点电压使隔膜泵运行（如可输出范围是DC16-24V，则先输出16V）；

步骤二：单片机采集压力传感器或流量传感器的信号值，并与预设的目标值进行比较，判断传感器的信号值是否达到或接近预设的目标值；当传感器的信号值达到预设的目标值时，执行步骤三；否则执行步骤四；

步骤三：保持当前输出电压，直至运行结束；

步骤四：通过控制PWM开关电源逐步调整输出电压，判断传感器的信号值是否达到预设的目标值；当传感器的信号值达到预设的目标值时，执行步骤三。例如：如果当前信号值小于目标值，则通过控制PWM开关电源逐步加大输出电压，直至达到预设目标值。否则执行步骤五；

步骤五：判断输出电压是否达到上限值或下限值；当输出电压达到上、下限值，并传感器的信号值仍无法达到预设的目标值时，系统可采用报警停机或保持最低或最高限电压的方式来处理；否则执行步骤四。

本发明的控制原理如下——

电路板利用成熟和低成本的PWM开关电源的核心原理，在单片机控制下实现可变恒定直流电源输出。核心元件由TL494/UC3842/3845等普通PWM电源IC及带DAC输出的8位或16位常见单片机组成。PWM电源IC的输出电压由参考电压Vref和反馈电压Vfb共同决定。参考电压Vref由单片机DAC电路提供；反馈电压Vfb取自开关电源输出端。当Vfb<Vref时，PWM调制脉冲宽度加大，开关电源输出电压升高；当Vfb>Vref时，PWM调制脉冲宽度减小，开关电源输出电压下降。通过上述简单且成熟的PWM开关电源技术和单片机控制原理，即可实现开关电源输出端（即隔膜泵电源输入端）电压稳定且电压幅度可调。

Claims (1)

1.小型隔膜泵模拟变频系统，其特征在于：该系统包括一PWM开关电源，该PWM开关电源分别连接一由直流电机驱动的隔膜泵和一带DAC转换电路的单片机；隔膜泵与单片机之间设置有一流量传感器或压力传感器；PWM开关电源的PWM电源IC的输出电压由参考电压Vref和反馈电压Vfb共同决定，参考电压Vref由单片机的DAC转换电路提供；反馈电压Vfb取自PWM开关电源的输出端；PWM开关电源的输出端连接隔膜泵的电源输入端；该小型隔膜泵模拟变频系统的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：系统启动，PWM开关电源首先输出最低点电压使隔膜泵运行；

步骤二：单片机采集压力传感器或流量传感器的信号值，并与预设的目标值进行比较，判断传感器的信号值是否达到预设的目标值；当传感器的信号值达到预设的目标值时，执行步骤三；否则执行步骤四；

步骤三：保持当前输出电压；

步骤四：通过控制PWM开关电源逐步调整输出电压，判断传感器的信号值是否达到预设的目标值；当传感器的信号值达到预设的目标值时，执行步骤三；否则执行步骤五；

步骤五：判断输出电压是否达到上限值或下限值；当输出电压达到上、下限值，并且传感器的信号值仍无法达到预设的目标值时，保持限值电压或报警停机；否则执行步骤四。