基于STM32控制的水泵叶片动态调节系统研究

王 璐，董向前，梁 健，郑安琪

（1.扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127；2.山西水利职业技术学院，山西 运城 044000）

目前传统的水泵叶片的调节主要是以机械式和液压式机械装置作为调节手段。液压式叶片角度调节方式，一次性所要调节的作用力较大，很容易造成内泄漏，装置内部工艺水平要求较高，元件发生微小变形会导致液压泵稳定性变差。同时使用液压传动方式调节水泵叶片，其维护要求很高。本研究选用的是利用插齿驱动的机械式调节装置，更好地避开长期运行造成推力轴承容易抬轴的弊端。目前，常用的水泵叶片角度的调节方法主要有3类：

半调节，停泵后拆卸水泵叶片，才可以改变叶片角度，在目前的泵站系统中，安装完毕后想要进行半调节较为困难。

停泵全调节，在停泵之后进行机械操作实现调节叶片角度。此种方法较为经济，但是不符合现代化智能控制。

运行全调节，在水泵运行过程中使用机械操作、电动或者液压传动等方法调节叶片的角度。此种调节方式尽管对设备整体的要求较高，但是非常符合目前人工智能的发展方向。

目前，市面上利用电子尺磁致式位移传感器测量叶片旋转位移，通过数据转换将位移长度转换成角度。这种传感器使用寿命长但需要非常稳定的电压输入，否则会造成输出磁场的不稳定，导致测量误差偏差较大。目前泵站机组叶片角度调节系统，不管采用哪种叶轮叶片调节方式，均采用LCU检测传感器所测量的叶片角度相关数据，再通过上位机实现叶片角度调节。本文研究采用嵌入式控制器，实时采集泵机组运行水位扬程等参数，控制器集成了泵机组效率运行数据，同时利用高精度角度传感器安装在叶轮轮毂内侧，通过机械方式实时测量目前叶片角度，利用整定的不同水文工况下对应的叶轮角度，使水泵机组运行在相对高效率区，这样就构成了独立的水泵机组叶轮动态反馈调节系统装置，实现了不同水文工况下水泵机组叶片角度的自动调节，减少了泵机组的调水能耗。由于角度传感器安装在叶轮轮毂内侧并随着叶轮一起旋转，所以，测量数据需要通过无线方式传送给以STM32芯片为主的水泵叶片机械式调节控制系统。

1 性能参数的改变条件

根据离心泵各参数之间的关系可以看出，当液体流过离心泵运行时涉及到的物理量有：D、Q、H、n、g、μ、b2、β2共8个变量即n1=8，其之间的关系函数方程表示为

式中：D为叶轮直径；H为扬程；Q为流量；n为转速；g为重力加速度；μ为液体动力黏度；b2为叶轮出口宽度；β2为叶轮出口角度。

其中，具有3个基本度量单位即m=3，分别是：长度L、时间T和质量M；可以选择几何学的量H、运动学的量g和动力学的量μ作为独立变量。而π相应该有n1-m=5个，所以

先求π1，其量纲式为

解得a1=-1，b1=0，c1=0得出

由上可得

由式（7）～式（12）得出，叶片角度的调整能作为各性能参数的函数方程，由此可得叶片出口角的调整可改变水泵机组的性能。

2 方案设计

本系统由角度传感器、无线通信模块、控制单元及水泵叶片角度调节模块组成。系统运行时，以STM32为测控单元的系统装置，实时监测目前机组的上下游水位、扬程和流量等水文参数。测控单元内部进行计算并判断此时水泵机组工作状态是否是水泵特性曲线的较优区间，若不再反馈至叶片角度调节模块，调节角度直至工作状态到达特性曲线的较优区间。如若在水文情况未发生显著改变时，主控单元需判断出此时能耗情况，适当调节水泵叶片角度改变流量大小，达到节能的目的。

方案设计如图1所示。

图1 方案设计图

本研究选用切割光栅计数角度传感器和霍尔传感器对3500HDQ-7.6型立式泵叶片角度的测量进行研究，所选泵的主要性能参数如下：转速n=125 r/min；流量Q=24～38 m3/s；扬程范围H=3～9.7 m；叶片可调节范围为-8°～+2°。

3 硬件电路

3.1 角度传感器检测叶片角度

本设计选用切割光栅计数角度传感器和霍尔传感器进行水泵叶片角度的测量，霍尔传感器是目前使用较多的使用于角度检测中的一款传感器，主要是利用磁场的改变来检测叶片角度的变化。这一点和电子尺磁致式位移传感器的工作原理类似。小型磁铁的磁场在芯片表面上方旋转，其强度可以通过非接触式的方式测量，角度的改变可以通过磁场的矢量分量计算得到。但磁场间隙变化、温度变化及老化等因素会导致磁场的变化使得计算出的角度误差较大。

在实际安装中，为了达到更加便捷的安装目的，本研究将角度传感器放置于叶片轮毂，紧贴轮毂一侧，随着叶片角度的改变，角度传感器通过直接接触方式实现角度随动测量，减小了误差，提高了测量精度。切割光栅计数角度传感器又称为旋转编码器，用来专门测量角度变化，旋转轴可从其中穿过，配合旋转叶片实现随动测量。在该传感器的轴部安装光栅，通过轴的旋转，切割光栅。轴每次旋转切割光栅时，角度传感器就会计数1次，从而实现叶片角度的调节。

本研究选用的切割光栅计数角度传感器在安装使用上更为便捷，水泵安装时直接安装在轮毂内侧，与叶片轴紧密贴合，和传统的霍尔传感器相比，轴旋转切割光栅计数传感器测量方式大大减少了温度、老化和磁场改变所形成的误差。

3.2 STM32控制电路

STM32系列芯片是目前系列芯片中具有较高性能的微控制器，内设的资源对数据的甄选和判别起到很大的作用。这一款芯片具有低耗、高稳定性和抗干扰力强等优点。本研究选用STM32 F103C8T6芯片作为系统装置的主控芯片，其工作频率为72 MHz，程序存储器容量64 K，工作电压2～3.6 V，共有48个I/O口。

3.3 水泵叶片调节电路

选用全角度叶片调节装置，在L293D电机驱动下，电机转动制动杆，当油缸制动杆没有压力施加于制动滑块时，无制动便可使调节杆旋转，调节伞齿转动则水泵叶片角度发生改变。流量监测装置实时监测反馈至STM32芯片，直到角度传感器检测到合适角度，实时叶片角度经过芯片计算得出此时水泵工作在较高效率的区间内，电机停止工作，调节装置中的制动杆旋转让油缸产生压力，制动滑块产生制动力，固定住调节伞齿使水泵在较佳状态下持续工作。电机驱动叶片调节电路如图2所示。

图2 水泵叶片电机驱动电路

3.4 水位与流量监测

本研究对于水位与流量的检测选用雷达水位计，其主要组成有：发射和接收模块、信号处理模块及天线等几部分。利用雷达水位计的3种工作方式，发射电磁波经被测物体表面反射并被天线接收。由于电磁波的传输速度是常数，利用电磁波发射和接收的时间计算距离，从而实现对水底到水面距离的测量，精确计算出水位。将检测出的水位情况传送到STM32芯片内部计算，实现后期叶片调节并使水泵工作在较优且节能的状态。

4 特性曲线仿真

本研究选用南水北调宝应站，实现南水北调规划的东线一期水利调度工程。该工程需以流量为100 m3/s实现江水北调，采用4台3500HDQ-7.6型立式泵单机流量范围24～38 m3/s，设计扬程3.4～10 m。根据实时调节监控在同工况下改变叶片角，具体流量改变见表1及如图3所示。

表1 不同叶片角安放下的流量

图3 不同叶片角安放下的流量折线图

5 结束语

该研究通过理论与实验，具体研究了根据实时的水位、泵机组扬程、水泵叶轮角度及泵机组装置效率之间的匹配关系。利用角度传感器检测水泵叶片角度提高整个水泵工作性能。成立了独立的水泵机组叶轮动态反馈调节系统装置。通过函数关系推导出叶片角度对叶片性能的影响；并且模拟不同角度下流量的变化趋势。在原本进行每2°调节的基础上精确到1°调节，其流量的调整更为精确。该研究结合实时水文情况的改变，利用伯努利方程计算相应角度下的流量，从而选择水泵工作较优状态，达到可持续、高效的目的。