电动阀综合测控仪的研究与设计

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.