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电动阀综合测控仪的研究与设计

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摘 要:介绍了电动阀综合自动测控系统的软硬件组成、主要功能及其技术特点。该系统实现了传感器多路信息融合的高速高精度采集、多路输出控制功能,并通过传感器实现步进电机自动闭环和开环等调控模式。试验表明,该系统满足实际需要,具有很好的可靠性和实时性。
关键词:电动阀;信息融合;传感器;步进电机;可靠性

  在现代工业技术领域中,调节阀的应用越来越广。为了检测调节阀在特殊工作环境下的机械及电气特性等性能,需要有一套完整的阀门测试与控制系统。为达到系统性能指标要求,需进行诸如振动、冲击、热平衡等试验,以精确地控制阀门的开度。本文针对这一问题,研究和设计了电动阀综合测控仪,通过检测阀门位置及管道中的介质流速,利用步进电机驱动阀门碟片转动实现位置控制。
1 控制方式选择
  由于本设计中电动阀采用‘T’字型的三通阀,该阀的机械特性具有非线性特征,导致步进电动机转动角度与阀碟片转动角度存在偏差。根据阀门机械图理论计算,当步进电动机转动152°时,碟片达到最大理论开度值72.33°。利用步进电动机开环控制进行现场试验,以不同频率和不同转动角度转动相应的次数,通过位置传感器得出碟片实际位置,具体试验数据如表1所示。

  分析表1中数据,当步进电动机与驱动器长期供电,电机频率较高时,减速机和步进电动机会产生惯性现象,阀门转动位置产生了累计偏差。为此,利用把位置传感器加入到控制系统中的闭环控制,经现场试验,得到试验数据如表2所示。

  对比表1和表2试验数据,闭环控制较开环控制阀门碟片可更精确地转动到预定位置。为使用方便,系统可自行选择开环和闭环两种控制方式,以满足不同要求。
2 控制器总体结构
  电动阀综合测控仪主要完成对现场各传感器信号的采集、阀门状态检测,并利用步进电机驱动进行阀门控制,同时具有人机操作的键盘、显示器等。控制器可以脱机单独工作,也可方便实现与上位PC机的串行通信,完成对系统工作状态监控,实现历史数据的存储和整体系统的管理。
  根据系统设计要求,整个系统功能可以分为系统自检功能模块、阀门控制功能模块、数据采集调理模块、电源模块、串行通信模块、键盘及显示模块等几部分。为确保‘T’字型的三通阀阀门碟片准确到位,电源电路、阀门位置检测、步进电动机控制驱动是设计关键。系统基本组成如图1所示。

  系统主要由微处理器、隔离驱动控制接口、步进电机驱动、人机接口及通信接口等组成。图1中的i表示系统需进行检测与控制的阀门个数。通过接受键盘或上位PC机的运动参数,按照规定的频率和角度及转动方向控制步进电机准确运动。微处理器选用基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS的ATmega128。AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器,寄存器直接与算术逻辑单元相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器,提高了代码效率,具有比普通微处理器高10 倍的数据吞吐率[1]。信号采集调理完成对位置传感器、介质流速传感器及电压传感器的信号采集及调理。通信接口实现与上位PC机的信息交换与对驱动器在线监控,可分别实现脱机和联机工作。
3 功能模块设计
3.1电源模块
  根据阀门综合控制器功能,电源模块需要提供+5 V、±12 V和+24 V的电源。传统的线性电源效率低、体积大,同时考虑晶体管和MOS管开关特性、过压过流的保护,控制回路的稳定性,因此采用体积小、重量轻,效率高达90%以上的开关电源。系统采用TOP switch-II系列芯片作为电源部分的主要芯片, LTV817A型光耦合器及TL431C型可调式精密并联稳压器作为辅助芯片组成了系统电源部分。在 +3.3 V、+5 V、+12 V 3路增加了LC型滤波器。减小了输出纹波电压[2-3]。
3.2 采集模块
  采集模块电路主要利用基准电压源作为检测基准,并采用AD977A的16位A/D,完成对位置传感器、介质流速传感器及电压、电流传感器的信号采集与转换。并将信号送入微处理器进行处理并显示,或联机状态送入PC机进行实时显示与监测。为保证采集信号可靠性,采用前端RC滤波。同时在信号转换精确度上,重点考虑了以下3个问题:(1)是参考电源的选取:AD977A虽然有内置的参考电源,但由于其温度系数较大,影响数据转换精度,采用外加温度系数小的参考电源,减小温度的影响,提高了信号转换准确度;(2)AD977A的偏置和增益的调整:AD977A需要调节零点偏置和增益误差,通过典型采样点的转换结果,调整电路中电位器的阻值,实现准确转换;(3)共地:将A/D转换电路数字地独立,并与其他电路数字地隔离,抑制了外界干扰。从而准确得到阀门的当前位置,并实时显示设定值和实际转动值。 数据采集如图2所示。

3.3 步进电动机驱动模块
  步进电机的控制和驱动是阀门控制模块系统的核心部分。在脱机情况下单独设定参数,或通过接收PC机设置的转动频率和转动角度信号。驱动器需要的控制脉冲,由微处理器经步进电机隔离驱动接口后直接送入步进电机驱动器,驱动器按照给定驱动频率和步数驱动步进电机运动。步进电动机细分驱动器采用PWM控制方式,使电动机绕组电流跟随给定变化,减小超调现象发生,防止阀门损坏。具体连接如图3所示。

  图3中主控芯片的CA、CB、CC通过光电隔离分别连接步进电动机驱动器的脉冲、方向、脱机。在主控芯片未对步进电动机发出转动指令时,由继电器控制系统切断步进电动机及其驱动器电源。为了监控系统的工作状态,在电源的通断上增加了自检功能,实现步进电动机及其驱动器部分电源是否正常工作的判断。
4 软件设计
  根据电动阀控制器的总体框架结构,软件设计主要包括阀门碟片位置采集模块、预到达位置和运行速度设置及处理模块、步进电动机驱动控制模块、串行通信模块、键盘及显示模块、软件抗干扰模块等。
4.1步进电动机驱动控制程序
  根据阀门碟片的当前位置计算出碟片旋转的速度,当前位置和速度分别与设定值作比较,计算脉冲间隔时间,驱动步进电动机转动[4]。程序流程图如图4所示。

4.2 软件抗干扰
  系统中有大量的数据,为避免外界干扰,造成错误的数据输出,导致系统发生误动作或产生故障,主控芯片发出一个正确数据后,采取对步进电机方向控制信号、脱机信号及继电器通断信号瞬间多次读入功能,直到认为准确无误后才输入存放。具体流程如图5所示。

  由于该控制器的工作条件恶劣,在系统设计和调试过程中重点考虑了抗干扰问题。通过现场调试和系统测试,证明利用上述方法进行系统设计,操作简单,实时性强,运行可靠。
参考文献
[1] 陈冬云,杜敬仓,任柯燕.ATmega128单片机原理与开发指导 [M].北京:机械工业出版社,2006.
[2] 沙占友.单片开关电源最新应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3] 徐志跃.电机伺服控制系统中的开关电源设计[J].计算机测量与控制,2007,15(6):777-779.
[4] 刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2006.
 

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