基于CPLD的電動(dòng)閥門(mén)驅動(dòng)裝置控制器設計

　　電動(dòng)閥門(mén)動(dòng)力裝置的控制特性和可靠性對閥門(mén)和整個(gè)管網(wǎng)系統的自動(dòng)化控制具有重要影響。該文根據開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)作機理和無(wú)刷直流電機的工作原理,利用脈寬調制專(zhuān)用集成芯片和復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD),設計了開(kāi)關(guān)閥動(dòng)力裝置的無(wú)刷直流電機控制器。軟件仿真和試驗表明,驅動(dòng)裝置結構簡(jiǎn)單,調試方便,可靠性高,適合于煉油化工、油氣儲運、水利等行業(yè)要求。

引言

　　隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，傳統的手工機械調節方式在很多應用場(chǎng)合中已暴露出明顯弊端。例如在成品油庫的油品收發(fā)過(guò)程中，大量的手動(dòng)閥門(mén)大大增加了勞動(dòng)強度，降低了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，準確性、可靠性、安全性往往依賴(lài)人的組織能力及個(gè)體素質(zhì)。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為實(shí)現管網(wǎng)系統工業(yè)自動(dòng)化，對改善員工健康安全環(huán)保條件，提升生產(chǎn)效率，都具有重要的意義。

　　開(kāi)關(guān)閥門(mén)的基本功能是控制管網(wǎng)的調壓和油路、水路和氣路等的通斷，是管網(wǎng)的關(guān)鍵部件。為使閥門(mén)開(kāi)閉動(dòng)作可靠，需要有大扭矩電驅動(dòng)裝置，且體積要小、重量要輕。目前國內所采用電動(dòng)閥門(mén)驅動(dòng)大都采用有刷電機。相比而言，永磁無(wú)刷直流電機(BrushlessDCMotor，BLDCM)具有功率密度高、轉矩/電流比高、調速范圍寬等優(yōu)勢，已廣泛應用于國防和民用領(lǐng)域，永磁無(wú)刷直流電機的這些特點(diǎn)，使其更適用于閥門(mén)驅動(dòng)。本文采用脈寬集成控制芯片和復雜可編程邏輯器件(ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD)，設計了一套基于無(wú)刷直流電機的開(kāi)關(guān)閥電驅動(dòng)裝置。

1、開(kāi)關(guān)閥動(dòng)力傳動(dòng)結構

　　本開(kāi)關(guān)閥動(dòng)力裝置由2套無(wú)刷直流電機系統組成，如圖1所示，電機M只能單向旋轉，主要作為閥門(mén)開(kāi)啟的動(dòng)力源。電機N需要雙向旋轉，正向轉動(dòng)時(shí)完成閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)的鎖定，電機反向轉動(dòng)時(shí)釋放閥門(mén)的鎖定狀態(tài)，閥芯在反力的作用下完成關(guān)閥動(dòng)作。閥門(mén)開(kāi)啟到位信號、閥門(mén)關(guān)閉到位信號以及閥門(mén)開(kāi)啟鎖定狀態(tài)信號都由光電開(kāi)關(guān)檢測。

圖1 開(kāi)關(guān)閥動(dòng)力傳動(dòng)結構

圖2 驅動(dòng)系統框圖

2、驅動(dòng)系統設計

2.1、系統方案

　　閥門(mén)要能實(shí)現自動(dòng)、手動(dòng)切換，同時(shí)要能實(shí)現遠程控制和就地控制的轉換。本方案中將電機的驅動(dòng)器與系統控制單元分開(kāi)設計，驅動(dòng)器接收系統控制單元的控制信號，并向系統控制單元傳遞電機的工作狀態(tài)，驅動(dòng)器采用可編程邏輯器件和集成電路的純硬件搭建，實(shí)現電機控制的高可靠性和實(shí)時(shí)性。系統控制部分完成控制方式的選擇和遠程節點(diǎn)的通信，由單片機實(shí)現。本文只討論驅動(dòng)器部分的設計，

　　如圖2所示，逆變器為6開(kāi)關(guān)三相逆變橋，功率開(kāi)關(guān)器件選用了�？刂齐娐饭δ苤饕�由芯片SG3525和CPLD完成，實(shí)現PWM調制和換相邏輯綜合等。的驅動(dòng)電路選用了國際整流器(IR)公司生產(chǎn)的IR2130芯片。

2.2、控制電路設計

　　控制電路的PWM信號由集成芯片SG3525實(shí)現，SG3525是頻率固定的集成脈寬調制芯片，內部由基準電壓、振蕩器、誤差放大器、比較器、PWM鎖存器、分相器、欠電壓鎖定器、輸出級、軟起動(dòng)及關(guān)閉電路等組成。

　　圖3驅動(dòng)系統框圖調制策略、邏輯控制和換相綜合等功能由MAX7000S系列器件EPM7128SL84完成，可對閥門(mén)的各種運行狀態(tài)以及電機故障信號進(jìn)行邏輯處理，輸出電機逆變器相應開(kāi)關(guān)器件的控制信號。圖3所示為CPLD邏輯綜合電路接口。下面對接口電路內部各功能模塊和管腳功能做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

圖3 CPLD邏輯綜合電路接口