電動執行機構自主調試系統的設計

□ 喬 磊 □ 吳吉峰 □ 柴大江 □ 尹衛平

1.揚州電力設備修造廠有限公司 江蘇揚州 2250032.云南大為制氨有限公司 云南曲靖 655000

1 設計背景

電動執行機構是自動控制領域的一種常用機電一體化設備,控制對象為閥門,用于控制閥門的打開及閉合。帶有多圈編碼器的智能型電動執行機構,可以實時檢測閥門位置,需要對閥門的終端位置進行記錄,根據開終端、關終端多圈編碼器信號的線性關系計算出閥位百分比。電動執行機構在出廠前一般會進行閥位標定,并且只能通過人工手動記錄開終端、關終端位置,進行閥位標定,終端位置的判斷依賴操作人員的經驗,標定的閥位誤差大、精度低,并且與現場使用情況不一致,操作人員需要根據現場閥門的情況重新進行閥位標定。由此,電動執行機構從出廠到現場使用經歷多次閥位標定操作,閥位標定頻率較高。

為了解決閥位標定的精度問題,同時提升智能型電動執行機構的自動化水平,設計了一種自動、快速、可靠標定閥位終端位置的電動執行機構自主調試系統,并給出其控制策略。

2 系統方案

電動執行機構自主調試系統包括主控制單元、多圈絕對編碼器、單圈編碼器、顯示驅動模塊、顯示屏、電機驅動模塊、電機等,如圖1所示。

▲圖1 電動執行機構自主調試系統

主控制單元包括微控制單元及其外圍電路,采用ARM內核的32位微控制單元。主控制單元通過串口實現與多圈絕對編碼器進行數據通信,在微控制單元內根據多圈絕對編碼器信號的線性關系,計算閥位百分比,根據單圈編碼器信號,計算力矩百分比。主控制單元通過串口實現與顯示驅動模塊進行數據通信,顯示驅動模塊讀取電動執行機構信息,并驅動顯示屏實現顯示。主控制單元通過輸入、輸出口連接電機驅動模塊,由電氣驅動模塊驅動電機實現正轉、反轉、停機。多圈絕對編碼器用于檢測行程信號。電動執行機構的行程位移轉換為磁感應信號,由微控制單元讀取,計算出閥位百分比。單圈編碼器用于檢測力矩信號。電動執行機構的受力變形轉換為磁感應信號,由微控制單元讀取,計算出力矩百分比。

3 硬件原理

3.1 微控制單元

電動執行機構自主調試系統需要對電動執行機構的行程信號、力矩信號進行實時檢測,并且在微控制單元內根據多圈絕對編碼器信號的線性關系計算閥位百分比,根據單圈編碼器的信號計算力矩百分比。由此,對微控制單元的系統時鐘、數據存儲、運算能力提出了新的要求。

電動執行機構自主調試系統選擇STM32F429IGT6作為主控芯片。這一主控芯片是基于Cortex-M4架構的32 bit微控制單元,具有25.5億次整數運算能力,頻率達180 MHz,配置1 MB閃存存儲器和256 KB加4 KB隨機存取存儲器,工作電壓為1.7～3.6 V,外設資源豐富,完全滿足電動執行機構自主調試系統的硬件控制需求。

對于電動執行機構自主調試系統而言,不需要用到STM32F429IGT6的全部外設資源,豐富的外設資源同時為功能升級提供了保障。電動執行機構自主調試系統主要使用兩路通用異步收發傳輸器、兩路輸入輸出口。一路通用異步收發傳輸器用于與多圈絕對編碼器通信,讀取行程和力矩信號。另一路通用異步收發傳輸器用于與顯示驅動模塊進行數據通信。輸入輸出口用于控制電機正轉和反轉。

3.2 編碼器電路

電動執行機構自主調試系統行程檢測和力矩檢測都采用磁旋轉感應編碼器技術,將行程位移和受力變形轉換為磁感應信號,由微控制單元讀取,計算閥位百分比和力矩百分比。

編碼器電路如圖2所示,采用絕對角度位置傳感器芯片MLX90316。這一芯片屬于運用三軸霍爾技術的獨立傳感器芯片,不僅能夠感應垂直于芯片表面的磁場強度,而且可以感應平行于芯片表面的磁場強度。配合合適的磁路,這一芯片可以感應出0 °～360 °旋轉范圍內的絕對角度位置。

▲圖2 編碼器電路

利用徑向磁化的小型磁鐵在芯片表面上方旋轉,通過磁場的兩個矢量分量計算得到角度信息,實現電動執行機構旋轉位置信號轉換為數字信號,產生一個正比于角度的輸出信號,通過串行外設接口輸出至微控制單元,滿足電動執行機構精確位置檢測要求。

3.3 顯示電路

電動執行機構自主調試系統內置薄膜場效應晶體管全彩液晶顯示屏,具有背光亮度可調、視角廣、響應速度快、圖像穩定、分辨率高等特點,提供簡潔易懂、清晰直觀的狀態信息,如閥門位置、力矩信息等。顯示電路如圖3所示。通過模擬量輸出口,可以控制顯示屏的亮度。

▲圖3 顯示電路

3.4 電機驅動電路

在電動執行機構自主調試系統中,電機經過減速器最終帶動編碼器旋轉,實現行程及力矩檢測。電機驅動電路如圖4所示。微控制單元的輸入輸出口分別連接電機正轉、反轉控制引腳,控制引腳經兩個三極管形成互鎖,通過兩路光耦控制兩個信號繼電器,信號繼電器控制交流接觸器線圈通斷,進而控制電機正轉和反轉。為防止誤觸發而引起電機誤動作,信號輸出端均通過干簧管繼電器隔離輸出。

▲圖4 電機驅動電路

4 控制策略

近年來,隨著新興產業的蓬勃發展,我國工業自動化控制技術、產業和應用有了很大發展。在這一背景下,電動執行機構的自主標定是電動執行機構的發展趨勢。

電動執行機構自主調試系統的控制策略如圖5所示,可以在不需要人工直接干預的情況下完成閥位標定。第一步進行故障判斷,只有在無故障的情況下才能進行調試。第二步進行開終端位置標定,主控制單元檢測單圈編碼器的力矩信號,將檢測到的力矩信號與開向設定值力矩信號時刻進行比較,一旦檢測到的力矩信號大于開向設定值力矩信號,說明電動執行機構驅動閥門已到全開位置,電動執行機構停止運行,微控制單元將多圈絕對編碼器的信號存儲至芯片中,記做開終端位置。第三步進行關終端位置標定,主控制單元將檢測到的力矩信號與關向設定值力矩信號時刻進行比較,一旦檢測到的力矩信號小于關向設定值力矩信號,說明電動執行機構驅動閥門已到全關位置,電動執行機構停止運行,微控制單元將多圈絕對編碼器的信號存儲至芯片中,記做關終端位置。微控制單元根據開終端位置、關終端位置的線性關系計算出閥位百分比,由此完成閥位標定。

▲圖5 控制策略

5 結束語

筆者設計了一種電動執行機構自主調試系統,并給出了其控制策略,可以方便現場操作人員進行閥門與電動執行機構的聯調,實現電動執行機構自動、準確完成閥門開終端位置和關終端位置的標定工作。在自動調試中,通過力矩判定,保護閥門免受過力矩損壞,同時避免以人工經驗標定閥位誤差大的問題,具有自動可靠、定位精準的優點。