高精度微型煤泥浮選藥劑電動控制閥

王 新

（中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）

0 引言

當前浮選機加藥的調節方法有手動調節、電磁閥調節以及電動閥調節等。手動調節主要靠工人的經驗，對操作工的技術要求高，加藥精度低且藥劑消耗大[1]。電磁閥調節利用電磁閥開關的特性，采用脈動的方式添加藥劑，藥劑添加不均勻，脈動流下的藥劑流量測量不精確。由于電動閥調節可以連續調節藥劑的添加量，電動閥普遍采用4 mA～20 mA電流控制方式，信號誤差大，閥門開度復原性差，調節速度慢，且有一定延時，因此，設計了一種具有穩定調節能力、調節精度高、調節速度快、采用數字信號、低成本的電動控制閥，具有現實意義。

1 結構設計與工作原理

電動控制閥主要由步進電機、行星減速機、傳動機構、三片式球閥、外殼和電路板等組成，如圖1所示。

圖1 電動控制閥組成示意圖

其工作原理：控制信號通過CAN（控制器局域網絡）總線輸入閥門預開啟角度信息，MCU（單片機）進行信息處理，根據開度要求控制步進電機轉動相應角度，步進電機的轉動帶動行星減速機轉動，再通過傳動機構帶動球閥閥體轉動，實現對閥門開度的精確控制，并將閥門開度以百分數的形式顯示在LCD（液晶顯示屏）上。傳動機構設計開、閉限位功能，防止閥門過轉。硬件電路設計有實體按鍵，可以手動調節閥門。調節完畢后，自動存儲閥門開度值，并通過CAN總線定期回傳開度信息。整機采用低功耗設計，實現了后備電池單獨供電的功能，可以在斷電情況下實現對閥門的緊急控制。

2 硬件電路與軟件設計

2.1 硬件電路設計

硬件電路包括單片機（MCU）、CAN收發模塊、步進電機驅動模塊、電源管理、后備電池模塊、LCD液晶顯示模塊以及按鍵等，功能框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路功能框圖

該設計考慮了產品的低功耗性能，選用德州儀器公司的MSP430F5438A單片機作為主處理器，其工作電壓為1.8 V～3.6 V，超低功耗設計，激活模式下在8 MHz系統時鐘及3.0 V供電下的消耗電流為230 μA/MHz（典型值），待機模式下的消耗電流為1.2 μA（典型值），從待機模式到激活模式的喚醒時間為3.5 μs（典型值），具有256 kB閃存和16 kB隨機存儲器（RAM），采用最高25 MHz系統時鐘的16位精簡指令集（RISC）構架，具有3個定時器，可以進行脈沖寬度調制輸出，具有1個16通道的12位模數轉換器（ADC）和4個通用串行通信接口（USCI），具有1個32位硬件乘法器。主要功能：與CAN收發模塊通信；輸出PWM（脈沖寬度調制）信號控制步進電機正、反轉及步頻、步數控制；監測步進電機工作電流及丟步、卡轉等異常狀態，使電機在堵轉時得到保護，以避免電機堵轉時電流過大燒壞元器件[2]；各模塊電源管理及外部供電電壓、內部電池電量監測；液晶模塊顯示控制；按鍵響應等。該處理器采用低功耗喚醒模式運行，整機的待機電流≤1 mA。

步進電機控制采用意法半導體公司的L298P芯片，該芯片是一款雙路全橋電機驅動器，可以同時控制2個直流電機或1個四線制步進電機，工作電壓為6 V～46 V，具有2 A電流驅動能力以及過熱自斷和反饋檢測功能。該設計采用負反饋放大電路恒流方式驅動，電路原理如圖3所示。

圖3 步進電機驅動模塊電路原理圖

其工作原理如下：U3接收來自單片機的電機使能信號及四路PWM控制信號，并驅動電機轉動。步進電機繞組A及繞組B電路一致，以繞組A為例，繞組通電時，采樣電阻R7兩端產生電壓信號，輸入放大器U5B同相輸入端，經過同相放大后的電壓信號輸入比較器U8B同相輸入端，1.2 V電壓基準信號經過U8A放大器跟隨隔離后輸入比較器U8B反相輸入端，U8B輸出端經限流電阻R12接三極管Q2基極，Q2工作在放大區，形成負反饋電路。當流過繞組線圈的電流增大時，電阻R7兩端電壓增大，經放大器U5B同相放大后的電壓增大，當電壓大于1.2 V時，比較器U8B輸出端輸出高電壓，使Q2基極的電壓升高，流過電阻R9的電流減小，Q2基極的電流減小，因為Q2工作在放大區，所以Q2集電極的電流減小，使流過繞組A的電流減小，起到穩定電流的作用。將放大器U5B放大后的電壓信號反饋給單片機進行實時監測，當電機停轉或失步時，電流會出現異常，單片機識別后，可以進行快速處理。

2.2 軟件設計

軟件采用模塊化設計思想，將程序分為若干模塊，以中斷為觸發方式，程序運行完畢進入低功耗模式等待下次觸發。其程序流程如圖4所示。

當CAN模塊接收到信息或者按鍵按下將觸發中斷，單片機退出低功耗模式進入正常程序，進行信息處理，根據處理結果輸出PWM信號，控制步進電機正轉或反轉相應步數，并監控電機運轉電流；當電流異常時，啟動異常處理程序，重新調整電機運轉，當電機運轉完畢、閥門達到預設定要求時，更新閥門開度顯示，并輸出閥門開度信息，當程序結束后，進入低功耗模式，等待下次觸發。

步進電機的運轉采用整步控制方式，每轉動1步需要4個狀態，即A繞組通電、AB繞組同時通電、B繞組通電以及AB繞組同時通電。控制電機正、反轉只需要改變繞組的通電方向，例如正轉時，A、B繞組施加正向電流，反轉時，A、B繞組施加反向電流。電流的流向和繞組的通斷通過單片機輸出的PWM波形控制，步進電機正、反轉控制的PWM波形如圖5所示。

3 性能分析

該設計選擇42H4813A4型兩相四線制步進電機，步距角1.8 °，步距誤差5%，驅動電流1.3 A，靜力矩52 N·cm，線圈電阻3.2 Ω。電機接42系列2級傳動行星減速機，減速比50 ∶1，額定負載15 N·m，最大負載25 N·m，效率90%，回差≤0.25°。減速機連接傳動機構，由2個90°傘型齒輪做1 ∶1變向傳動，一側齒輪背面設計90 °限位槽，防止過轉。最大負載37 N·m，效率為90%，回差≤0.083°。球閥選擇DN15 mm三片式球閥，承壓1.6 MPa，轉動扭矩6 N·m。整體性能如下。

3.1 調節誤差

步進電機每步旋轉的步距角誤差最大為5%，即0.09°，行星減速機的最大回差為0.25°，行星減速機進行50 ∶1的減速，減速機輸出軸的最大步距角誤差為0.0068°，傳動機構的回程誤差為0.083°，總調節誤差為0.0898°，總調節角度為90°，調節誤差占比為0.1%，滿足0.2%的設計要求。

3.2 調節分辨率

步進電機的步距角為1.8°，每轉動1周需要200步，行星減速機的減速比為50 ∶1，帶動球閥時，全關至全開旋轉90°，則步進電機旋轉12.5周，為2 500步，每步轉動0.036°，每步調節0.04%。

3.3 輸出扭矩

步進電機轉矩為52 N·cm，即0.52 N·m，經行星減速機50 ∶1減速，減速機效率為90%，輸出軸扭矩為0.52×50×0.9=23.4 N·m，未超過行星減速機的最大負載要求（25N·m），經傳動機構改變轉動方向，效率90%，則最終輸出扭矩為23.4×0.9=21.06 N·m，輸入軸及輸出軸均未超過傳動機構最大負載37 N·m。球閥的扭矩為6 N·m，考慮浮選藥劑黏性，閥門初始轉動扭矩應大于固定扭矩的3倍，即輸出扭矩應大于18 N·m，符合設計要求。

3.4 最大調節時間

在調節閥門時，步進電機采用恒定速率運行，步頻1 000 Hz，轉速300 r/min，則全開全閉的最大調節時間為2500÷1000=2.5 s，可以實現對閥門的快速精確調節，滿足某些特殊應用場合下，需要快速、高精度控制的電動閥的要求[3]。

3.5 功耗

圖4 程序流程圖

步進電機驅動采用7.5 V供電，恒流1.3 A，其余元器件為低功耗器件，整機運行最大瞬時功耗≤10 W。采用后備電池單獨供電時，電池為3.7 V、5 Ah的鋰充電電池，電源轉換效率90%，以單次調節的最長總響應時間4 s計算，可滿足1 000次調節。在待機模式下，各模塊電源關閉，只保留CAN收發模塊電源，則待機電流約為1 mA，可滿足待機6個月的要求。

4 試驗效果

該設計在河北省礦用流量儀表檢定站DN15 mm靜態容積法液體流量標準裝置上進行開度與流量關系試驗，通過CAN總線調節閥門開度，通過標準裝置確定流量，標準裝置的準確度為0.2%，試驗結果見表1。

表1 閥門開度與流量關系試驗結果

通過試驗，電控閥在不同開度對流量具有調節作用，反復開關將閥門調至相同開度，流量基本一致，閥門具有較好的重復性。

5 結語

該電動控制閥采用了低功耗設計思路，從芯片選型、硬件電路設計以及軟件設計等方面對功耗進行控制，選用低成本器件，利用單片控制技術，使電動控制閥的可靠性高，控制精度高，能夠快速調節、實現數字信號通信，達到了降低成本的目的，滿足設計要求。該設計以浮選機常用的DN15 mm管道作為電動控制閥的管徑，可以根據現場環境，根據不同管徑的閥門扭矩選擇適合的步進電機及設計相應的電機驅動模塊，研發DN6 mm～DN32 mm的電動控制閥，形成系列產品，滿足市場要求。此外，該設計選擇普通球閥，其閥門開度與流量關系并非線性，為了獲得較好的線性調節特性，可以選擇“V”形球閥代替普通球閥。

圖5 步進電機正、反轉控制PWM波形