一種高精度、快速電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

沈 煒，陸 健

（南通航海機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

某些特定系統(tǒng)要求電動(dòng)調(diào)節(jié)閥正常情況下全開至全關(guān)單行程（30 mm）的動(dòng)作時(shí)間不大于8 s，且在接到外部流量信號(hào)時(shí)，除了能自動(dòng)調(diào)節(jié)閥桿控制流量外，還要有快速關(guān)閉功能（一般電動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不了此項(xiàng)功能）。與對普通電動(dòng)閥的要求相比，對此類電動(dòng)閥的要求（技術(shù)、功能、流量特性、材料等各方面）大大提高了。此類電動(dòng)閥主要由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門 2部分組成，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心為控制器。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖如圖 1所示。電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用單相AC 220 V/50 Hz供電，同時(shí)給電機(jī)和控制器提供電源。電機(jī)為特殊定制電機(jī)，具有啟動(dòng)扭矩大等特點(diǎn)。控制器控制 1組固態(tài)繼電器通斷來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)。電源濾波模塊為控制器提供所需的電源，同時(shí)可以消除來自外部的干擾。控制器的核心為MCU主芯片，負(fù)責(zé)處理接收到的外部傳感器信號(hào)、與外部設(shè)備通信，所有與外部連接電路中間均設(shè)有隔離保護(hù)電路。閥位檢測模塊提供準(zhǔn)確的閥位信息給控制器，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度提供了保障。人機(jī)接口模塊包含 OLED顯示屏，就地控制按鍵具有友好的參數(shù)顯示及設(shè)置界面。控制器與外部的通信方式包括RS-485、CAN等[1]。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

外部控制系統(tǒng)發(fā)出4 mA～20 mA控制信號(hào)，電動(dòng)閥的控制器接受到外部控制信號(hào)后即開始驅(qū)動(dòng)閥桿動(dòng)作，當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)值時(shí)，電動(dòng)閥的控制器會(huì)根據(jù)行程傳感器實(shí)時(shí)測量的位置信號(hào)值停止電機(jī)運(yùn)行，最后準(zhǔn)確對閥芯進(jìn)行定位（精度≤1%）。外部控制系統(tǒng)的流量計(jì)可以實(shí)時(shí)檢測流量，如果流量與設(shè)定值的差值超過誤差值，外部控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，對電動(dòng)閥進(jìn)行位置修正。當(dāng)外部控制系統(tǒng)發(fā)出小于等于4 mA的控制信號(hào)時(shí)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)迅速將閥門關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)裝置本身的機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)可以鎖緊閥門的關(guān)閉位置。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

控制器按照硬件功能主要分為 6個(gè)部分，分別為核心控制模塊、電源模塊、閥位檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和人機(jī)交互模塊，如圖2所示。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 核心控制模塊設(shè)計(jì)

核心控制模塊采用 32位高性能微控制器STM32F103VET6作為主芯片，外部電路包括晶振、復(fù)位電路和外部FLASH。核心控制模塊接收外部信號(hào)，經(jīng)過一系列處理后，實(shí)時(shí)反映閥門閥位、運(yùn)行情況等狀態(tài)，并輸出信號(hào)給電機(jī)控制模塊。STM32F103作為新一代的嵌入式ARM處理器，它在性能、成本、功耗方面有了巨大的進(jìn)步，為用戶提供了卓越的處理性能、快速的中斷響應(yīng)系統(tǒng)以及豐富的外設(shè)資源[2]。

2.2 閥位檢測模塊設(shè)計(jì)

閥位檢測模塊是保障穩(wěn)定和精確控制閥位的關(guān)鍵所在。在電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，電機(jī)經(jīng)過減速器帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，通過檢測主軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)轉(zhuǎn)換得到閥門的開度。本設(shè)計(jì)采用多圈絕對值編碼器進(jìn)行檢測，優(yōu)點(diǎn)是測量范圍大、精度高，在安裝時(shí)不必定位零點(diǎn)，在斷電恢復(fù)后可對閥位進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測[3]。閥位檢測接口電路圖如圖3所示。

圖3 閥位檢測接口電路圖

2.3 模擬量輸入模塊設(shè)計(jì)

外部模擬量輸入4 mA～20 mA控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開關(guān)是調(diào)節(jié)流量的主要手段，故外部輸入4 mA～20 mA的穩(wěn)定與精度尤為重要。本設(shè)計(jì)采用ADI公司的AD654芯片進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換（V/F），AD654是一種低成本、8腳封裝的電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器，它由低漂移輸入放大器、精密振蕩器系統(tǒng)和輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)組成，使用時(shí)只需1個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)[4]。通過高速光耦6N137與MCU隔離AD654的輸出信號(hào)，輸出頻率信號(hào)變化范圍為0～500 kHz，線性誤差為0.06%，輸入阻抗為250 M。具體電路如圖4所示。

圖4 4 mA～20 mA模擬量輸入電路圖

該驅(qū)動(dòng)電流同時(shí)向定時(shí)電容C8充電，多諧振蕩器的振蕩頻率（輸出頻率）與這個(gè)充電電流成正比[5]。輸出頻率由Vin、R11和 C8以及最大輸入電壓Vmax共同確定，其關(guān)系為

3 軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，包含初始化模塊、人機(jī)交互模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、就地控制模塊、參數(shù)設(shè)定模塊、電機(jī)控制模塊和故障檢測模塊。根據(jù)操作系統(tǒng)的框架，共進(jìn)行了3層設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)框架圖

系統(tǒng)啟動(dòng)之后，執(zhí)行初始化程序，對STM32的時(shí)鐘源、OLED顯示屏、I/0引腳、外部通信及各個(gè)硬件進(jìn)行初始化。初始化完成后，從外部FLASH芯片中讀取設(shè)定好的參數(shù)信息，運(yùn)行初始化線程，對系統(tǒng)的時(shí)鐘、I/O引腳、外設(shè)等進(jìn)行初始化。接著讀取外部FLASH芯片，獲取芯片內(nèi)部保存的參數(shù)信息。根據(jù)面板上的按鍵選擇工作模式。在就地模式下，根據(jù)就地按鍵信號(hào)調(diào)用電機(jī)控制模塊對電機(jī)進(jìn)行控制；在遠(yuǎn)程模式下，根據(jù)遠(yuǎn)程模擬量信號(hào)或外部通信信號(hào)來調(diào)用電機(jī)控制模塊來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；在設(shè)置模式下，調(diào)用人機(jī)交互模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或?yàn)g覽。在就地模式和遠(yuǎn)程模式下，程序不斷地調(diào)用故障檢測模塊進(jìn)行故障檢測，一但出現(xiàn)信號(hào)超限、信號(hào)中斷、過載等外部故障，程序立刻停止執(zhí)行電機(jī)控制程序并對外發(fā)出報(bào)警信號(hào)，直到外部故障解除并重新獲得啟動(dòng)信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)簡要流程圖如圖6所示。

為了保證針對不同的設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)控制精度都保持在1%范圍之內(nèi)，本控制器實(shí)現(xiàn)了一種參數(shù)自整定功能，即：可以測定不同設(shè)備的補(bǔ)償量，計(jì)算整定值并保存在Flash芯片中，在電機(jī)控制程序中進(jìn)行調(diào)用。參數(shù)自整定程序流程圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

本控制器在設(shè)計(jì)中選擇了高性能、低成本的芯片，圍繞芯片設(shè)計(jì)出可靠的硬件電路，開發(fā)出專業(yè)的程序。本控制器具有友好的人機(jī)界面，通過與外圍設(shè)備的完美配合實(shí)現(xiàn)了對電動(dòng)閥高精度、快速的智能化控制。隨著工業(yè)4.0的不斷推進(jìn)，此類電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在各行各業(yè)中的運(yùn)用會(huì)越來越廣泛。

圖6 軟件設(shè)計(jì)簡要流程圖

圖7 參數(shù)自整定程序流程圖