智能閥門電動執行器設計與測試*

郭寶前

(國家管網集團西南管道有限責任公司 昆明維搶修分公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

閥門廣泛應用于電力、水利、化工等行業并發揮著關鍵作用。其執行機構用于閥門控制，是提高閥門控制精度、安全系數以及響應速度的關鍵所在。針對國內閥門普遍存在的控制精度低、穩定性及安全性差、智能化水平不高的缺陷，國內外科研機構對閥門電動執行器展開了一系列的研究，如德國SIPOS、ZMG，瑞士ABB，日本富士等公司在機電一體化、先進控制策略、智能通信等方面取得了突出成果[1-2]。國內對閥門開度控制一般選擇PI、PID控制，控制效果一般，在特殊運行工況時閥門控制精度較差。

筆者針對閥門控制精度較差問題，以閥門電動機構為研究對象，基于DSP技術設計閥門電動執行器，采用滑模控制技術對閥門電動執行器進行優化設計，以此達到提高閥門位置控制精度，提升閥門智能控制水平的目的。

1 工作原理及設計目標

閥門電動執行器由驅動電機、閥門、機械傳動部件、位置傳感器、電源、微控制器、功率分析等模塊組成。對閥門開度進行調節時，微控制器模塊接收輸入的位置控制信號以及位置傳感器信號并進行邏輯分析，當輸入位置信號大于位置傳感器反饋信號時，控制驅動電機正轉，直至輸入信號與反饋信號誤差為零時驅動電機制動停機[3]；當輸入位置信號小于位置傳感器反饋信號時，控制驅動電機反轉，減小閥門開度，直至反饋位置信號與輸入位置信號相等后控制驅動電機停機。

閥門電動執行器要求能夠實時、連續、精確地控制閥門開度，設計時需滿足以下條件：①定位精度，即當閥門執行機構運行狀態處于穩態后，系統閥門實際位置與設定位置的差值滿足控制精度要求；②動態響應，即閥門位置輸出信號跟蹤閥門位置設定輸入信號變化速度的能力，跟蹤性能越好，動態響應速度越快；③穩定性，即當外接干擾或者存在不穩定因素時，閥門運行狀態不會有任何改變的能力強弱，或者能夠在短時間內恢復至穩定狀態的能力。閥門電動執行器設計的重點為硬件電路設計以及軟件算法設計。

2 系統設計

智能閥門電動執行器系統設計框圖見圖1所示，閥位控制信號、閥位反饋信號經模數轉換模塊后送入SAF-XE167FM-72F80L核心CPU，核心CPU根據輸入信號進行邏輯判斷、運算處理，輸出閥位控制信號，控制閥門執行機構正轉、反轉或者停止，以達到穩定、快速、精確調節閥門開度的目的。閥門電動執行器運行過程狀態、參數通過CAN總線通信方式傳送至監控中心的LCD液晶顯示屏并實時、動態顯示。通過LCD液晶顯示屏可對閥門的實際開度進行設定并由核心CPU操作完成。

圖1 智能閥門電動執行器系統設計框圖

3 硬件設計

執行器硬件設計以英飛凌的SAF-XE167FM-72F80L控制器為核心，由擴展電源供電電路、閥位控制信號/反饋信號A/D采樣電路、數據存儲電路、看門狗電路、驅動電路、LCD液晶顯示電路等組成。

3.1 電源供電電路

執行器核心CPU所需的電壓等級為DC5V、DC3.3V，電源供電電路見圖2所示，由超低壓輸入電源模塊CUWB1205YMD-6WR3以及SPX1117M3芯片組成。輸入電源模塊的電壓輸出穩定，瞬態響應較好，自備氣壓、過流、過壓以及抗電磁干擾等功能，可直接為核心CPU供電[4-5]。SPX1117M3芯片用于核心CPU外圍器件供電，滿載為800 mA時壓降僅為1.1 V，可提供高質量的電源供電保障。

圖2 電源供電電路

3.2 A/D采樣電路

閥位控制信號、閥位反饋信號位4～20 mA電流信號，在進入核心CPU前需完成A/D模數轉換。設計的A/D采樣電路見圖3所示，當MK2閉合時，輸入信號SigInput與電阻R2、GND形成回路，轉換為1～5 V電壓信號，即為TL2543 A/D轉換器的輸入電位信號，對應閥門的起始位置。輸入信號SigInput為20mA或者5 V時，對應閥門滿度位置。

圖3 A/D采樣電路

3.3 驅動電機電路

閥門電動執行器的驅動電路見圖4所示，用于控制驅動電機的運行方向和運行速度。該驅動電路由兩個或門互鎖、固態繼電器38D05、電平轉換、上拉電阻以及行程開關組成。核心CPU的P1.0、P1.1引腳電平狀態用于標識驅動電機正轉(0×00)、反轉(0×01)以及停機(0×10)。上拉電阻與+220 V連接，系統初始化時將該電平設置為高電平，此操作可避免誤動作，實現驅動電機的正反轉控制[6-7]。行程開關RES4用于防止閥門運行至極限位置時控制驅動電機停機。為實現閥門的精準、平穩控制，驅動電機系統還配置有諧波齒輪傳動減速器，將驅動電機輸出的高轉速、小力矩的輸出功率轉換為低轉速、大力矩輸出功率。

圖4 驅動電機電路

4 軟件設計

4.1 算法設計

閥門電動執行器實際運行時會受到減速器、電機等設備的干擾，影響閥門控制的穩定性和精度。利用滑模控制方案，將閥門執行機構的運行位置控制在一定范圍之內，并通過設置死區解決閥門電機振蕩問題，提升閥門控制精度和穩定性。基于滑模控制的閥門電動執行器控制原理見圖5所示[8-9]，在位置環引入滑模控制器，將閥位控制信號與閥位反饋信號的誤差作為滑模控制器的輸入并進行閥門位置智能調節。速度環的輸入信號為位置調節器輸出ωref以及反饋的ωm角速度誤差，由此完成驅動電機的精準控制。

圖5 基于滑模控制的閥門電動執行器控制原理

4.2 程序設計

閥門電動執行器軟件程序設計基于Keil uVision4軟件平臺采用C語言編程實現[10]。根據閥門電動執行器系統設計以及硬件設計原理，將軟件程序按照功能劃分為主程序模塊、閥門位置控制模塊、滑模算法控制模塊、功率控制模塊、故障診斷模塊、通訊模塊以及上位機模塊，詳見圖6所示。

圖6 智能閥門電動執行器軟件設計模塊劃分

主程序模塊用于控制并順序調用其他模塊，同時還需完成閥門控制參數設置以及初始化，具體包括：①閥門控制參數：閥門開速度/時間、閥門開緊急速度/時間、閥門關速度/時間、閥門關緊急速度/時間、閥門方向、閥門關斷模式等；②驅動電機溫度參數：電機溫度閾值、電機溫度過熱極限值、電機溫度過低極限值等；③閥門位置參數：閥門開位置、閥門關末端位置、閥門實時位置采樣等。

閥門位置控制模塊用于控制閥門位置，具體步驟為：采集閥門位置實時信號并經A/D轉為電流信號，與給定閥門位置開度信號進行比較，若采樣電流信號小于給定值，則核心CPU驅動電機正轉；反之，則驅動電機反轉；若采樣電流信號與給定值的差值位于死區，則控制驅動電機停機。

功率控制模塊用于接收核心CPU控制指令并驅動電機運行。功率模塊與核心CPU間采樣CAN總線通訊完成控制指令傳輸，如接收核心CPU下發的運行模式、目標轉矩、裝束上限值等；同時驅動電機反饋的電壓、電流等實時運行數據并傳送至核心CPU。

上位機模塊用于實時顯示閥門電動執行機構的標簽號、固件版本、電機型號、閥門控制參數、閥門位置參數、驅動電機溫度參數、電壓/電流實時運行數據、故障信息、通訊狀態、模擬/數字輸入/輸出、閥門實際運行位置曲線、轉矩曲線等，動態掌握閥門運行狀態。

5 實驗測試

為驗證智能閥門電動執行器的正確性和適用性，在實驗室完成實驗測試。實驗測試需準備的設備包括主控制電路板、功率電路板、渦輪蝸桿、信號齒輪、驅動電機、LCD液晶顯示屏以及上位機等，實驗測試平臺見圖7所示。

圖7 閥門電動執行器設計方案實驗測試平臺

在上位機監控界面中預設閥門開度，統計并分析經閥門電動執行器控制后的實際開度，統計結果見表1。從表1可得閥門實際開度與預設開度基本一致，最大誤差不超過0.3%，滿足閥門控制精度要求。

表1 閥門位置檢測實驗數據

6 結 語

設計開發的智能閥門電動執行器以DSP技術、滑模控制技術為核心，與傳統閥門電動執行器相比，具有控制精度高、穩定性好、操作性強的特點，提升了閥門控制的智能化水平。該閥門電動執行器具備豐富的對外通訊接口以及開發通信協議，可滿足不同行業和系統的應用。該智能閥門電動執行器的設計總結為：①硬件設計以英飛凌的SAF-XE167FM-72F80L控制器為核心，包括擴展電源供電電路、A/D采樣電路、驅動電機電路等，從硬件上提升閥門電動執行器控制的抗干擾性；②軟件設計以滑模控制算法為核心，設計位置環、速度環、電流環三環控制方案，從軟件上提升閥門電動執行器控制的控制精度和穩定性；③完成實驗測試，測試結果表明該閥門電動執行器運行穩定、閥門位置控制精確，誤差率不大于2.5%。