閥門(mén)電動(dòng)執行機構中檢測模塊的設計
介紹了一種新型閥門(mén)電動(dòng)執行機構中檢測模塊的硬件和軟件設計。檢測模塊以主控制器MSP430和電動(dòng)執行器DSP為核心，分別檢測電源、電機和閥門(mén)的各個(gè)運行參數，可實(shí)時(shí)監測閥門(mén)電動(dòng)執行機構的工作狀態(tài)。
1、概述
閥門(mén)是管道輸送系統中的重要部件，廣泛應用于電力、化工、石油和冶金等行業(yè)，對系統壓力、流量和溫度等參數進(jìn)行調節。電動(dòng)執行機構是控制和驅動(dòng)閥門(mén)的重要裝置，是對閥門(mén)實(shí)現遠程控制、集中控制和自動(dòng)控制的一種必不可少的執行部件。隨著(zhù)機電一體化技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)執行機構在工業(yè)生產(chǎn)中體現出巨大的優(yōu)勢。閥門(mén)電動(dòng)執行機構的可靠工作離不開(kāi)檢測模塊，性能好和工作穩定可靠的檢測模塊對閥門(mén)電動(dòng)執行機構的安全穩定運行至關(guān)重要。
2、系統工作原理
閥門(mén)電動(dòng)執行機構(圖1)主要由人機接口、控制器、電動(dòng)執行器和檢測模塊組成。人機接口主要包括液晶顯示、按鍵輸入和遠程遙控輸入。電動(dòng)執行器主要包括數字信號處理器(DSP) 、智能功率模塊(IPM)和異步電機。檢測模塊包括電源檢測、電機檢測和閥門(mén)檢測3部分。
人機接口可設定運行參數，向控制器發(fā)送控制信號，同時(shí)可顯示裝置反饋的各種信息，完成對系統的實(shí)時(shí)監控�？刂破鹘邮杖藱C接口發(fā)送來(lái)的控制信號，根據控制信號控制電動(dòng)執行器工作，并實(shí)時(shí)檢測閥門(mén)的位置和行程等反饋信號，調整相應的控制指令，此外控制器可實(shí)時(shí)向人機界面發(fā)送各種工作狀態(tài)及故障診斷信號。電動(dòng)執行器是主要的執行機構，DSP 接收控制器的指令，通過(guò)矢量控制技術(shù)驅動(dòng)異步電機，電機輸出軸經(jīng)齒輪減速后拖動(dòng)閥門(mén)啟閉。
檢測模塊分別對電源、電機和閥門(mén)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，并將檢測到的各種信號經(jīng)過(guò)變換，變成控制器可以識別的數字信號。電源檢測主要進(jìn)行電源缺相檢測，異步電機驅動(dòng)電壓和電流檢測，IPM 模塊溫度檢測。電機檢測主要進(jìn)行電機轉速檢測，電機轉子位置檢測，轉矩檢測，電機和齒輪箱的溫度檢測。閥門(mén)檢測主要進(jìn)行閥門(mén)位置檢測，閥門(mén)行程檢測。電源檢測和電機檢測的信號反饋給DSP進(jìn)行處理，閥門(mén)檢測的信號反饋給控制器MSP430進(jìn)行處理。
圖1 閥門(mén)電動(dòng)執行機構的結構
3、檢測模塊硬件設計
檢測功能主要由檢測電路和主控制器及電動(dòng)執行器中的DSP實(shí)現。
3.1、主控制器
主控制器采用16位超低功耗、精簡(jiǎn)指令集單片機MSP430。單片機應處理能力強，運算速度快，片內集成FLASH存儲器、16位A/D和通信接口等。
3.2、電動(dòng)執行器DSP
電動(dòng)執行器DSP采用定點(diǎn)32位芯片TMS320F2812。芯片應運算能力強，并具有豐富的外設。
3.3、電源檢測
電源檢測包括電源缺相檢測、電壓檢測、電流檢測和IPM模塊溫度檢測。
(1)電源缺相檢測
電源缺相檢測主要由光耦和74LS123實(shí)現，74LS123是一種雙可再觸發(fā)單穩態(tài)多諧振蕩器。取三相電源的A、C相為一組，B、C相為一組，分別接入兩個(gè)光耦的輸入端，光耦的輸出接到74LS123上。由74LS123的輸出狀態(tài)可判斷三相電源的缺相情況。
(2)電壓檢測
電壓檢測采用霍爾電壓傳感器模塊VSM025A，傳感器按照一定的比例將輸入的三相電壓變至輸出，輸出的電壓信號經(jīng)濾波和信號調理后，變成0～ 3.3V的電壓信號接入DSP的A/D采樣輸入通道，從而獲得異步電機三相輸入電壓的反饋信號。
(3)電流檢測
電流檢測采用電流傳感器LTS25-NP，傳感器按照一定的比例將IPM輸出的三相電流變至副邊，輸出的電流信號經(jīng)過(guò)采樣電阻轉換成電壓信號，再經(jīng)過(guò)濾波和適當的信號調理后，變成0～3.3V范圍內的電壓信號接入DSP的A/D采樣輸入通道，從而獲得異步電機三相定子電流的反饋信號。
(4)IPM模塊溫度檢測
IPM 模塊溫度檢測采用單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20，該傳感器無(wú)需外部元件，可用單根數據總線(xiàn)供電，測溫精度為0.5℃ 。測量結果為可編程的分辨率為9～ 12位的數字信號，其數據總線(xiàn)直接接到DSP的I/O口上，供DSP讀取溫度信號。
3.4、電機檢測
電機檢測包括電機轉速檢測、轉子位置檢測、轉矩檢測、電機和齒輪箱的溫度檢測。
(1)電機轉速檢測
電機轉速通過(guò)光電編碼器檢測，本系統采用M法測速原理，及在某一采樣時(shí)間內，通過(guò)對脈沖的計數來(lái)確定電機轉速的大小。光電編碼器輸出兩路相位相差90°的脈沖信號，這兩路脈沖信號接入DSP的正交編碼電路(QEP)檢測脈沖信號的上升沿，計算電機的轉速。
(2)電機轉子位置檢測
電機轉子位置檢測采用高精度的電位器，電位器輸出信號接到DSP的A/D采樣通道上，由DSP計算電機轉子的位置。
(3)轉矩檢測
轉矩檢測采用集成的轉矩傳感器，傳感器將執行機構的輸出轉矩直接轉換成相應的電信號，該輸出信號經(jīng)過(guò)信號調理后轉換成DSP的A/D輸入端允許的輸入電壓范圍，經(jīng)A/D轉換后計算出實(shí)際的轉矩值。
(4)電機和齒輪箱的溫度檢測
電機和齒輪箱的溫度檢測方法與IPM模塊溫度檢測相同。
3.5、閥門(mén)檢測
閥門(mén)檢測包括閥門(mén)位置檢測和閥門(mén)行程檢測。
(1)閥門(mén)位置檢測
閥門(mén)位置檢測采用高精度導電塑料電位器，其分辨率高，不存在電磁傳感器的磁滯特性問(wèn)題。電位器的兩端加5V直流電，在電機轉動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)裝置帶動(dòng)電位器滑動(dòng)，改變電位器的電阻值，使其動(dòng)觸點(diǎn)輸出0～5V的電壓，對應閥門(mén)的開(kāi)度。電位器的輸出信號直接接到MSP430單片機的A/D輸入通道。
(2)閥門(mén)行程檢測
閥門(mén)行程檢測采用多圈絕對值編碼器，編碼器的輸出直接接到單片機MSP430的I/O口上，單片機讀取二進(jìn)制碼，通過(guò)計算得到閥門(mén)的行程數值。
4、檢測模塊軟件設計
檢測模塊功能的良好實(shí)現，不僅需要合理的硬件設計，軟件設計對模塊的工作性能也有很大影響。軟件設計過(guò)程中除考慮靈活性、可靠性和通用性之外，還要保證很好的實(shí)時(shí)性。由于系統采用主控制器加DSP的硬件設計，因此需要分別設計各個(gè)微處理器的程序。
4.1、MSP430主程序設計
MSP430單片機負責電動(dòng)執行機構的主控任務(wù)，因此在主程序中主要進(jìn)行系統的初始化、控制方式選擇、閥門(mén)位置和行程檢測以及顯示等工作，并將控制指令及運行參數通過(guò)同步串行口送入DSP中，具體流程如圖2所示。
圖2 MSP430主程序流程圖
(1)系統初始化
系統上電后，首先進(jìn)行初始化設置，包括I/O初始化，A/D初始化，SPI初始化等，而后從EEP-ROM中讀取上次運行設定的參數值，包括行程初值、終值、速度、力矩以及控制方式選擇標志位，并將這些參數存入數據寄存器中。
(2)選擇控制方式
MSP430 根據控制方式標志，進(jìn)入相應的程序分支，可選控制方式有本地遙控控制、手操器控制以及標準4～20mA電流信號控制。3種控制方式可根據需要由控制者切換，切換方式簡(jiǎn)單可靠。
(3)位置和行程檢測
采樣位置傳感器上的電壓信號，獲得執行機構當前位置，與給定位置進(jìn)行比較，根據設定的死區范圍，修改速度參數以及運行標志位。
(4)發(fā)送數據將命令及參數進(jìn)行串行發(fā)送。
(5)顯示及故障處理
每個(gè)分支的循環(huán)中采樣位置反饋信號與上次采樣值比較，其差值轉化為脈沖數驅動(dòng)指針旋轉，實(shí)時(shí)跟隨閥位，直到電機停止，指針便指示當前位置，掉電后依然能夠保持，旋轉方向由差值的符號決定。當檢測到故障信號時(shí)，系統停止運行。
4.2、DSP主程序設計
DSP主要負責按照控制指令驅動(dòng)電機工作，且實(shí)時(shí)檢測電源和電機的工作狀態(tài)，調節控制指令并判斷是否出現故障。
(1)電源與電機檢測
DSP 通過(guò)其A/D采樣通道檢測IPM電壓、電流、電機轉子位置和轉矩，采樣時(shí)連續采樣4次后求平均值，以此濾除部分干擾。電機轉速的檢測由DSP的正交編碼電路實(shí)現，通過(guò)在一段時(shí)間內記錄編碼器輸出脈沖的上升沿個(gè)數，換算出電機的轉速。缺相檢測僅需DSP檢測接入其I/O口的檢測電路高低電平，來(lái)判斷缺相情況。溫度檢測由DSP直接讀取溫度傳感器的數字信號，再換算成溫度值。
(2)故障判斷
DSP通過(guò)檢測電源和電機的各工作參數，依據預先設定的參數上限或下限，判斷當前閥門(mén)電動(dòng)執行機構是否出現故障，以及故障的類(lèi)型，并生成相應的狀態(tài)指令，以發(fā)送到主控制器進(jìn)行處理。
(3)數據發(fā)送
DSP完成故障判斷后，將故障判斷結果的狀態(tài)指令發(fā)送到主控制器，由主控制器進(jìn)行顯示并采取相應動(dòng)作。
5、結語(yǔ)
閥門(mén)電動(dòng)執行機構的檢測模塊在系統的硬件和軟件設計上充分考慮了工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，采取了完善的抗干擾措施和故障保護措施，大大地提高了系統的可靠性，使系統能適用于各種工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境。
