閥門電動執(zhí)行機構中檢測模塊的設計
介紹了一種新型閥門電動執(zhí)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和電動執(zhí)行器DSP為核心，分別檢測電源、電機和閥門的各個運行參數(shù)，可實時監(jiān)測閥門電動執(zhí)行機構的工作狀態(tài)。
1、概述
閥門是管道輸送系統(tǒng)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(tǒng)壓力、流量和溫度等參數(shù)進行調節(jié)。電動執(zhí)行機構是控制和驅動閥門的重要裝置，是對閥門實現(xiàn)遠程控制、集中控制和自動控制的一種必不可少的執(zhí)行部件。隨著機電一體化技術的發(fā)展，電動執(zhí)行機構在工業(yè)生產中體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。閥門電動執(zhí)行機構的可靠工作離不開檢測模塊，性能好和工作穩(wěn)定可靠的檢測模塊對閥門電動執(zhí)行機構的安全穩(wěn)定運行至關重要。
2、系統(tǒng)工作原理
閥門電動執(zhí)行機構(圖1)主要由人機接口、控制器、電動執(zhí)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。電動執(zhí)行器主要包括數(shù)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、電機檢測和閥門檢測3部分。
人機接口可設定運行參數(shù)，向控制器發(fā)送控制信號，同時可顯示裝置反饋的各種信息，完成對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。控制器接收人機接口發(fā)送來的控制信號，根據控制信號控制電動執(zhí)行器工作，并實時檢測閥門的位置和行程等反饋信號，調整相應的控制指令，此外控制器可實時向人機界面發(fā)送各種工作狀態(tài)及故障診斷信號。電動執(zhí)行器是主要的執(zhí)行機構，DSP 接收控制器的指令，通過矢量控制技術驅動異步電機，電機輸出軸經齒輪減速后拖動閥門啟閉。
檢測模塊分別對電源、電機和閥門的工作狀態(tài)進行檢測，并將檢測到的各種信號經過變換，變成控制器可以識別的數(shù)字信號。電源檢測主要進行電源缺相檢測，異步電機驅動電壓和電流檢測，IPM 模塊溫度檢測。電機檢測主要進行電機轉速檢測，電機轉子位置檢測，轉矩檢測，電機和齒輪箱的溫度檢測。閥門檢測主要進行閥門位置檢測，閥門行程檢測。電源檢測和電機檢測的信號反饋給DSP進行處理，閥門檢測的信號反饋給控制器MSP430進行處理。
圖1 閥門電動執(zhí)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執(zhí)行器中的DSP實現(xiàn)。
3.1、主控制器
主控制器采用16位超低功耗、精簡指令集單片機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、電動執(zhí)行器DSP
電動執(zhí)行器DSP采用定點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實現(xiàn)，74LS123是一種雙可再觸發(fā)單穩(wěn)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，輸出的電流信號經過采樣電阻轉換成電壓信號，再經過濾波和適當?shù)男盘栒{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數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器無需外部元件，可用單根數(shù)據總線供電，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(shù)字信號，其數(shù)據總線直接接到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
電機轉速通過光電編碼器檢測，本系統(tǒng)采用M法測速原理，及在某一采樣時間內，通過對脈沖的計數(shù)來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(zhí)行機構的輸出轉矩直接轉換成相應的電信號，該輸出信號經過信號調理后轉換成DSP的A/D輸入端允許的輸入電壓范圍，經A/D轉換后計算出實際的轉矩值。
(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、閥門檢測
閥門檢測包括閥門位置檢測和閥門行程檢測。
(1)閥門位置檢測
閥門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題。電位器的兩端加5V直流電，在電機轉動時，傳動裝置帶動電位器滑動，改變電位器的電阻值，使其動觸點輸出0～5V的電壓，對應閥門的開度。電位器的輸出信號直接接到MSP430單片機的A/D輸入通道。
(2)閥門行程檢測
閥門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，單片機讀取二進制碼，通過計算得到閥門的行程數(shù)值。
4、檢測模塊軟件設計
檢測模塊功能的良好實現(xiàn)，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，還要保證很好的實時性。由于系統(tǒng)采用主控制器加DSP的硬件設計，因此需要分別設計各個微處理器的程序。
4.1、MSP430主程序設計
MSP430單片機負責電動執(zhí)行機構的主控任務，因此在主程序中主要進行系統(tǒng)的初始化、控制方式選擇、閥門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(shù)通過同步串行口送入DSP中，具體流程如圖2所示。
圖2 MSP430主程序流程圖
(1)系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)上電后，首先進行初始化設置，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(shù)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(shù)存入數(shù)據寄存器中。
(2)選擇控制方式
MSP430 根據控制方式標志，進入相應的程序分支，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(zhí)行機構當前位置，與給定位置進行比較，根據設定的死區(qū)范圍，修改速度參數(shù)以及運行標志位。
(4)發(fā)送數(shù)據將命令及參數(shù)進行串行發(fā)送。
(5)顯示及故障處理
每個分支的循環(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(shù)驅動指針旋轉，實時跟隨閥位，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，系統(tǒng)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電機工作，且實時檢測電源和電機的工作狀態(tài)，調節(jié)控制指令并判斷是否出現(xiàn)故障。
(1)電源與電機檢測
DSP 通過其A/D采樣通道檢測IPM電壓、電流、電機轉子位置和轉矩，采樣時連續(xù)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的正交編碼電路實現(xiàn)，通過在一段時間內記錄編碼器輸出脈沖的上升沿個數(shù)，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，來判斷缺相情況。溫度檢測由DSP直接讀取溫度傳感器的數(shù)字信號，再換算成溫度值。
(2)故障判斷
DSP通過檢測電源和電機的各工作參數(shù)，依據預先設定的參數(shù)上限或下限，判斷當前閥門電動執(zhí)行機構是否出現(xiàn)故障，以及故障的類型，并生成相應的狀態(tài)指令，以發(fā)送到主控制器進行處理。
(3)數(shù)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，由主控制器進行顯示并采取相應動作。
5、結語
閥門電動執(zhí)行機構的檢測模塊在系統(tǒng)的硬件和軟件設計上充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場的實際環(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(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)能適用于各種工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境。
