一種電動閥門操作機械手控制系統的設計與實現

陶冶博，郜峰，李廷，鄭潔霽，周易通

（1.嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314036；2.浙江佳樂科儀股份有限公司，浙江嘉興，314300）

0 引言

核電閥門是核電站中應用較為廣泛的水壓設備，它連接整個核電站的300余個系統，是核電站安全運行的關鍵結構。核電廠運行人員在日常工作中需要操作大量的手動閥門，手動開啟和關閉閥門將消耗運行人員大量的工作時間和精力，尤其是對具有上百圈行程的閥門進行操作，以及在核電廠在進行定期大型檢修時，運行人員需要操作大量的閥門。

電動閥門操作機械手通過直流電機控制閥門適配器的旋轉，從而實現閥門的開關功能。現有的電動閥門操作機械手由于采用開環結構，無法實時獲取當前的輸出轉矩，一旦轉矩過大，容易導致內部電機燒毀以及機械結構的損壞。同時，運行人員在操作時需要記錄閥門旋轉的圈數，或者指定對閥門旋轉的圈數。

針對上述這種情況，本文設計了一種電動閥門操作機械手的控制系統，能夠對閥門操作機械手的轉矩和圈數進行測量與控制。根據用戶的需求，當轉矩過大時，或者已經旋轉給定的圈數時，能夠停止電動閥門操作機械手的工作。

1 系統整體設計

本文設計的一種電動閥門操作機械手控制系統，包括電源、調速開關、顯示控制模塊、測速傳感器、直流電機。其中，電源采用makita的18V鋰電池BL1850B。調速開關采用博世的充電手鉆開關GSR18-2，該調速開關通過PWM斬波的方式實現對直流電機進行調速控制。測速傳感器采用霍爾元件和帶磁鐵的圓盤實現。顯示控制模塊是本電動閥門操作機械手控制系統的核心部分，具有直流電機電壓、電流、轉速信息的采集功能。該模塊可以通過上述數據計算出機械手內部直流電機的實時轉矩以及已經旋轉的圈數，并根據用戶設定的最大輸出轉矩和需要旋轉的圈數，對直流電機的通斷進行控制。閥門操作機械手的數據可以在液晶顯示屏上顯示，用戶可以通過電阻式觸摸屏進行相關參數的設置。電動閥門操作機械手控制系統原理框圖如圖1所示。

圖1 電動閥門操作機械手控制系統原理框圖

2 硬件電路設計

本文設計的一種電動閥門操作機械手控制系統的核心部分為顯示與控制模塊，其內部包括：繼電器、處理器、直流電機電流檢測模塊、直流電機電壓檢測模塊、液晶顯示屏、電阻式觸摸輸入。處理器采用意法半導體公司的STM32F103單片機，它的最高工作頻率為72MHz，具有豐富的資源包括：定時器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART等。內部集成了2個12位的us級的AD轉換器（16通道），AD的測量范圍為0-3.6V，具有雙采樣和保持能力。滿足電動閥門操作機械手控制系統的設計要求。

■2.1 直流電機電壓檢測模塊

圖2 顯示控制模塊局部示意圖

直流電機的轉矩計算需要對直流電機的電壓和電流進行實時檢測，直流電機往往采用PWM方式進行調速，導致實際電機上的電壓波形為方波。此外由于調速開關可以對直流電機的方向進行控制，使得直流電機供電電壓的正負方向會隨時發生變化。因此設計如圖3所示的差分對稱結構的直流電機電壓信號調理電路。信號首先通過RC低通濾波器進行平均值的轉換，然后通過電壓跟隨器進行阻抗變換，最后通過電阻分壓，把電壓調整到適合單片機ADC采集的范圍。電路如圖3所示。

圖3 直流電機電壓檢測模塊電路圖

■2.2 直流電機電流檢測模塊

直流電機的轉矩計算還需要對直流電機的電流進行實時檢測，本文采用Allegro公司的霍爾電流傳感器芯片ACS712實現直流電機電流的采集。該芯片基于霍爾感應的原理，芯片內部由一個線性霍爾傳感器電路和安裝在集成電路表面的銅箔兩部分組成。當電流流過銅箔時，銅箔周圍會產生磁場，霍爾傳感器通過霍爾效應在磁場的作用下，產生線性的電壓信號。最后通過芯片內部的信號調理電路輸出可以被單片機ADC直接采集的電壓信號。電路如圖4所示。

圖4 直流電機電流檢測模塊電路圖

■2.3 繼電器模塊

電動閥門操作機械手控制系統需要實現對直流電機通斷的控制。本文采用繼電器實現該功能，繼電器相比場效應晶體管對電流的方向沒有限制，更適合在本設計中使用。通過在繼電器線圈并聯一個1N4148二極管實現繼電器斷開時釋放線圈中的能量。通過8050三極管實現繼電器驅動電路。電路如圖5所示。

圖5 繼電器模塊電路圖

3 軟件設計

本文設計的一種電動閥門操作機械手控制系統，具有如下功能：用戶通過調速開關控制直流電機輸出轉矩及旋轉方向，用戶可以通過液晶顯示屏實時觀測輸出轉矩以及閥門已經旋轉的圈數。用戶可以輸入閥門操作機械手當前允許最大輸出的轉矩，當輸出轉矩超過設定值時，該閥門操作機械手控制系統將切斷直流電機的電源。用戶可以輸入閥門需要旋轉的圈數，當閥門旋轉給定圈數時，該閥門操作機械手控制系統也會切斷直流電機的電源。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

■3.1 電機轉矩計算

由于閥門內部生銹或者有壓力，閥門在操作時，轉矩可能突然增大導致操作手內部電機堵轉，使得電機燒毀。為了保護電機，控制系統需要實時檢測電機的轉矩。操作手采用的是直流電機，轉矩計算公式如下：

其中，I為電機的工作電流，單位是安培（A），U為電機的工作電壓，單位是伏特（V），n為閥門適配器轉速，單位是圈每分鐘（r/min），R為電機線圈內阻，單位是歐姆（Ω）。

■3.2 直流電機轉速/圈數測量

為了獲得直流電機轉矩大小以及電機已經旋轉的圈數，都需要獲得直流電機的轉速信息，本文通過霍爾轉速傳感器實現對電機轉速的測量。所使用的傳感器電機旋轉一圈會產生15個脈沖信號，測得脈沖信號的頻率就可以換算出電機的轉速以及旋轉的圈數。

本文采用等精度法對方波的頻率進行測量。常用的頻率測量方法有三種：直接測頻法，周期法和等精度測頻法。直接測頻法只適合測高頻信號。周期法只適合測較低頻率的信號。等精度測頻的原理如下：首先需要一個與被測信號同步的閘門，同時對被測信號和時基脈沖進行計數。兩個計數值之比即等于其頻率比。此方法可消除被測計數器的正負一個脈沖的誤差，使誤差與被測頻率大小無關，達到等精度測頻。由于電動閥門操作機械手在不同閥門上使用時，旋轉的速度變化范圍較大，導致霍爾轉速傳感器輸出的信號頻率變化范圍較大，而頻率的測量精度直接決定轉矩的測量精度，因此，本文采用等精度法進行頻率的測量。

■3.3 用戶交互界面

本文設計的電動閥門操作機械手控制系統的用戶交互界面如圖7所示。

圖7 用戶交互界面

左上角顯示當前設定的最大轉矩，當輸出轉矩超過該值時將觸發斷電保護。該值可通過點擊左下角“轉矩設置”按鈕進行設置。中間為實時轉矩表，指針顯示當前轉矩信息（可顯示0-300Nm），下方為數字顯示當前轉矩信息以及當前已旋轉的圈數。右上角顯示剩余的圈數，如果用戶沒有設定接下來需要旋轉的圈數，則顯示“剩余∞圈”表示無限圈。“關于”按鈕，用于顯示產品相關信息。“清零”按鈕，點擊后實時轉矩表下方顯示的圈數將清零。左下角“轉矩設置”按鈕，點擊可進行最大轉矩保護值的設定。右下角“圈數設置”按鈕，點擊可進入指定圈數旋轉的設定界面。

4 系統測試

將本文設計的控制系統實際制作出來并安裝在電動閥門操作機械手上，如圖8所示。

圖8 實物圖

通過實際測試和使用，本文設計與制作的控制系統除了具備對電動閥門操作機械手基本的速度控制和方向控制功能以外，還可以對操作機械手的實時轉矩以及閥門已經旋轉的圈數進行測量。當機械手的輸出轉矩超過最大轉矩或者已經旋轉的圈數達到設定值時，控制系統均可以快速的停止閥門操作機械手的工作。

5 結論

本文設計并實現了一種電動閥門操作機械手控制系統，解決了傳統開環結構的電動閥門操作機械手在使用過程中，容易因為轉矩過大導致損壞的問題。另外，該電動閥門操作機械手控制系統還具有閥門圈數的記錄及控制功能，使用更加便捷。