摘 要：介紹了電動閥綜合自動測控系統(tǒng)的軟硬件組成、主要功能及其技術(shù)特點,。該系統(tǒng)實現(xiàn)了傳感器多路信息融合的高速高精度采集,、多路輸出控制功能，并通過傳感器實現(xiàn)步進電機自動閉環(huán)和開環(huán)等調(diào)控模式,。試驗表明,，該系統(tǒng)滿足實際需要,，具有很好的可靠性和實時性,。
關(guān)鍵詞：電動閥；信息融合,；傳感器,；步進電機；可靠性
在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中,，調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用越來越廣,。為了檢測調(diào)節(jié)閥在特殊工作環(huán)境下的機械及電氣特性等性能，需要有一套完整的閥門測試與控制系統(tǒng),。為達到系統(tǒng)性能指標要求,，需進行諸如振動、沖擊,、熱平衡等試驗,，以精確地控制閥門的開度。本文針對這一問題,，研究和設(shè)計了電動閥綜合測控儀,，通過檢測閥門位置及管道中的介質(zhì)流速，利用步進電機驅(qū)動閥門碟片轉(zhuǎn)動實現(xiàn)位置控制,。
1 控制方式選擇
由于本設(shè)計中電動閥采用‘T’字型的三通閥,，該閥的機械特性具有非線性特征，導致步進電動機轉(zhuǎn)動角度與閥碟片轉(zhuǎn)動角度存在偏差,。根據(jù)閥門機械圖理論計算,，當步進電動機轉(zhuǎn)動152°時,，碟片達到最大理論開度值72.33°。利用步進電動機開環(huán)控制進行現(xiàn)場試驗,，以不同頻率和不同轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)動相應(yīng)的次數(shù),，通過位置傳感器得出碟片實際位置，具體試驗數(shù)據(jù)如表1所示,。
分析表1中數(shù)據(jù),，當步進電動機與驅(qū)動器長期供電，電機頻率較高時,，減速機和步進電動機會產(chǎn)生慣性現(xiàn)象,，閥門轉(zhuǎn)動位置產(chǎn)生了累計偏差。為此,，利用把位置傳感器加入到控制系統(tǒng)中的閉環(huán)控制,，經(jīng)現(xiàn)場試驗，得到試驗數(shù)據(jù)如表2所示,。
對比表1和表2試驗數(shù)據(jù),，閉環(huán)控制較開環(huán)控制閥門碟片可更精確地轉(zhuǎn)動到預定位置。為使用方便,，系統(tǒng)可自行選擇開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式,，以滿足不同要求。
2 控制器總體結(jié)構(gòu)
電動閥綜合測控儀主要完成對現(xiàn)場各傳感器信號的采集,、閥門狀態(tài)檢測,，并利用步進電機驅(qū)動進行閥門控制，同時具有人機操作的鍵盤,、顯示器等,。控制器可以脫機單獨工作,，也可方便實現(xiàn)與上位PC機的串行通信,，完成對系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲和整體系統(tǒng)的管理,。
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求,，整個系統(tǒng)功能可以分為系統(tǒng)自檢功能模塊、閥門控制功能模塊,、數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊,、電源模塊、串行通信模塊,、鍵盤及顯示模塊等幾部分,。為確保‘T’字型的三通閥閥門碟片準確到位，電源電路,、閥門位置檢測,、步進電動機控制驅(qū)動是設(shè)計關(guān)鍵,。系統(tǒng)基本組成如圖1所示。
系統(tǒng)主要由微處理器,、隔離驅(qū)動控制接口,、步進電機驅(qū)動、人機接口及通信接口等組成,。圖1中的i表示系統(tǒng)需進行檢測與控制的閥門個數(shù),。通過接受鍵盤或上位PC機的運動參數(shù)，按照規(guī)定的頻率和角度及轉(zhuǎn)動方向控制步進電機準確運動,。微處理器選用基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS的ATmega128,。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器，寄存器直接與算術(shù)邏輯單元相連接,，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器,，提高了代碼效率，具有比普通微處理器高10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率[1],。信號采集調(diào)理完成對位置傳感器,、介質(zhì)流速傳感器及電壓傳感器的信號采集及調(diào)理。通信接口實現(xiàn)與上位PC機的信息交換與對驅(qū)動器在線監(jiān)控,，可分別實現(xiàn)脫機和聯(lián)機工作,。
3 功能模塊設(shè)計
3.1電源模塊
根據(jù)閥門綜合控制器功能，電源模塊需要提供+5 V,、±12 V和+24 V的電源,。傳統(tǒng)的線性電源效率低、體積大,，同時考慮晶體管和MOS管開關(guān)特性、過壓過流的保護,，控制回路的穩(wěn)定性,，因此采用體積小、重量輕,，效率高達90%以上的開關(guān)電源,。系統(tǒng)采用TOP switch-II系列芯片作為電源部分的主要芯片， LTV817A型光耦合器及TL431C型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器作為輔助芯片組成了系統(tǒng)電源部分,。在 +3.3 V,、+5 V、+12 V 3路增加了LC型濾波器,。減小了輸出紋波電壓[2-3],。
3.2 采集模塊
采集模塊電路主要利用基準電壓源作為檢測基準，并采用AD977A的16位A/D,，完成對位置傳感器,、介質(zhì)流速傳感器及電壓,、電流傳感器的信號采集與轉(zhuǎn)換。并將信號送入微處理器進行處理并顯示,，或聯(lián)機狀態(tài)送入PC機進行實時顯示與監(jiān)測,。為保證采集信號可靠性，采用前端RC濾波,。同時在信號轉(zhuǎn)換精確度上,，重點考慮了以下3個問題：(1)是參考電源的選取：AD977A雖然有內(nèi)置的參考電源,，但由于其溫度系數(shù)較大,，影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，采用外加溫度系數(shù)小的參考電源,，減小溫度的影響,，提高了信號轉(zhuǎn)換準確度；(2)AD977A的偏置和增益的調(diào)整：AD977A需要調(diào)節(jié)零點偏置和增益誤差,，通過典型采樣點的轉(zhuǎn)換結(jié)果,，調(diào)整電路中電位器的阻值，實現(xiàn)準確轉(zhuǎn)換,；(3)共地：將A/D轉(zhuǎn)換電路數(shù)字地獨立,，并與其他電路數(shù)字地隔離，抑制了外界干擾,。從而準確得到閥門的當前位置,，并實時顯示設(shè)定值和實際轉(zhuǎn)動值。 數(shù)據(jù)采集如圖2所示,。
3.3 步進電動機驅(qū)動模塊
步進電機的控制和驅(qū)動是閥門控制模塊系統(tǒng)的核心部分,。在脫機情況下單獨設(shè)定參數(shù)，或通過接收PC機設(shè)置的轉(zhuǎn)動頻率和轉(zhuǎn)動角度信號,。驅(qū)動器需要的控制脈沖,，由微處理器經(jīng)步進電機隔離驅(qū)動接口后直接送入步進電機驅(qū)動器，驅(qū)動器按照給定驅(qū)動頻率和步數(shù)驅(qū)動步進電機運動,。步進電動機細分驅(qū)動器采用PWM控制方式,，使電動機繞組電流跟隨給定變化，減小超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生,，防止閥門損壞,。具體連接如圖3所示。
圖3中主控芯片的CA,、CB,、CC通過光電隔離分別連接步進電動機驅(qū)動器的脈沖、方向,、脫機,。在主控芯片未對步進電動機發(fā)出轉(zhuǎn)動指令時,，由繼電器控制系統(tǒng)切斷步進電動機及其驅(qū)動器電源。為了監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài),，在電源的通斷上增加了自檢功能,，實現(xiàn)步進電動機及其驅(qū)動器部分電源是否正常工作的判斷。
4 軟件設(shè)計
根據(jù)電動閥控制器的總體框架結(jié)構(gòu),，軟件設(shè)計主要包括閥門碟片位置采集模塊,、預到達位置和運行速度設(shè)置及處理模塊、步進電動機驅(qū)動控制模塊,、串行通信模塊,、鍵盤及顯示模塊、軟件抗干擾模塊等,。
4.1步進電動機驅(qū)動控制程序
根據(jù)閥門碟片的當前位置計算出碟片旋轉(zhuǎn)的速度,，當前位置和速度分別與設(shè)定值作比較，計算脈沖間隔時間,，驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)動[4],。程序流程圖如圖4所示。
4.2 軟件抗干擾
系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù),，為避免外界干擾,，造成錯誤的數(shù)據(jù)輸出，導致系統(tǒng)發(fā)生誤動作或產(chǎn)生故障,，主控芯片發(fā)出一個正確數(shù)據(jù)后,，采取對步進電機方向控制信號、脫機信號及繼電器通斷信號瞬間多次讀入功能,，直到認為準確無誤后才輸入存放,。具體流程如圖5所示。
由于該控制器的工作條件惡劣,，在系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試過程中重點考慮了抗干擾問題,。通過現(xiàn)場調(diào)試和系統(tǒng)測試，證明利用上述方法進行系統(tǒng)設(shè)計,，操作簡單，實時性強,，運行可靠,。
參考文獻
[1] 陳冬云，杜敬倉,，任柯燕.ATmega128單片機原理與開發(fā)指導 [M].北京:機械工業(yè)出版社,，2006.
[2] 沙占友.單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.
[3] 徐志躍.電機伺服控制系統(tǒng)中的開關(guān)電源設(shè)計[J].計算機測量與控制,，2007,，15(6)：777-779.
[4] 劉寶廷,，程樹康.步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006.