1 概述
閥門是管道輸送系統(tǒng)中的重要部件，廣泛應(yīng)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(jìn)行調(diào)節(jié),。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制和驅(qū)動閥門的重要裝置，是對閥門實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,、集中控制和自動控制的一種*的執(zhí)行部件,。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢,。閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。
2 系統(tǒng)工作原理
閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖1）主要由人機(jī)接口,、控制器,、電動執(zhí)行器和檢測模塊組成。人機(jī)接口主要包括液晶顯示,、按鍵輸入和遠(yuǎn)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(jī),。檢測模塊包括電源檢測,、電機(jī)檢測和閥門檢測3部分。
人機(jī)接口可設(shè)定運(yùn)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,?？刂破鹘邮杖藱C(jī)接口發(fā)送來的控制信號，根據(jù)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(diào)整相應(yīng)的控制指令，此外控制器可實時向人機(jī)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(jī)構(gòu),，DSP 接收控制器的指令，通過矢量控制技術(shù)驅(qū)動異步電機(jī),，電機(jī)輸出軸經(jīng)齒輪減速后拖動閥門啟閉,。
檢測模塊分別對電源、電機(jī)和閥門的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測,，并將檢測到的各種信號經(jīng)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(jìn)行電源缺相檢測，異步電機(jī)驅(qū)動電壓和電流檢測,，IPM 模塊溫度檢測,。電機(jī)檢測主要進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測,，轉(zhuǎn)矩檢測,，電機(jī)和齒輪箱的溫度檢測。閥門檢測主要進(jìn)行閥門位置檢測,，閥門行程檢測,。電源檢測和電機(jī)檢測的信號反饋給DSP進(jìn)行處理，閥門檢測的信號反饋給控制器MSP430進(jìn)行處理,。
3 檢測模塊硬件設(shè)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(jī)MSP430,。單片機(jī)應(yīng)處理能力強(qiáng),，運(yùn)算速度快，片內(nèi)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(diǎn)32位芯片TMS320F2812。芯片應(yīng)運(yùn)算能力強(qiáng),，并具有豐富的外設(shè)。
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VSM02,，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(diào)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(jī)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)過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號,，再經(jīng)過濾波和適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理后,，變成0——3.3V范圍內(nèi)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(jī)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(jù)總線供電,，測溫精度為0.5℃ ,。測量結(jié)果為可編程的分辨率為9—— 12位的數(shù)字信號，其數(shù)據(jù)總線直接接到DSP的I/O口上,，供DSP讀取溫度信號,。
3.4 電機(jī)檢測
電機(jī)檢測包括電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測、轉(zhuǎn)子位置檢測,、轉(zhuǎn)矩檢測,、電機(jī)和齒輪箱的溫度檢測。
（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測
電機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)，通過對脈沖的計數(shù)來確定電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速,。
（2）電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測
電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子的位置,。
（3）轉(zhuǎn)矩檢測
轉(zhuǎn)矩檢測采用集成的轉(zhuǎn)矩傳感器,，傳感器將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)矩直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，該輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理后轉(zhuǎn)換成DSP的A/D輸入端允許的輸入電壓范圍,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后計算出實際的轉(zhuǎn)矩值,。
（4）電機(jī)和齒輪箱的溫度檢測
電機(jī)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(dǎo)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(jī)轉(zhuǎn)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(diǎn)輸出0——5V的電壓,，對應(yīng)閥門的開度。電位器的輸出信號直接接到MSP430單片機(jī)的A/D輸入通道,。
（2）閥門行程檢測
閥門行程檢測采用多圈值編碼器,，編碼器的輸出直接接到單片機(jī)MSP430的I/O口上，單片機(jī)讀取二進(jìn)制碼,，通過計算得到閥門的行程數(shù)值,。
4 檢測模塊軟件設(shè)計
檢測模塊功能的良好實現(xiàn)，不僅需要合理的硬件設(shè)計,，軟件設(shè)計對模塊的工作性能也有很大影響,。軟件設(shè)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(shè)計，因此需要分別設(shè)計各個微處理器的程序,。
4.1 MSP430主程序設(shè)計
MSP430單片機(jī)負(fù)責(zé)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主控任務(wù),，因此在主程序中主要進(jìn)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(yùn)行參數(shù)通過同步串行口送入DSP中，具體流程如圖2所示,。
（1）系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)上電后,，首*行初始化設(shè)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(yùn)行設(shè)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(biāo)志位，并將這些參數(shù)存入數(shù)據(jù)寄存器中,。
（2）選擇控制方式
MSP430 根據(jù)控制方式標(biāo)志,，進(jìn)入相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)4——20mA電流信號控制,。3種控制方式可根據(jù)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(jī)構(gòu)當(dāng)前位置,，與給定位置進(jìn)行比較，根據(jù)設(shè)定的死區(qū)范圍,，修改速度參數(shù)以及運(yùn)行標(biāo)志位,。
（4）發(fā)送數(shù)據(jù)將命令及參數(shù)進(jìn)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(zhuǎn)化為脈沖數(shù)驅(qū)動指針旋轉(zhuǎn),，實時跟隨閥位，直到電機(jī)停止,，指針便指示當(dāng)前位置,，掉電后依然能夠保持，旋轉(zhuǎn)方向由差值的符號決定,。當(dāng)檢測到故障信號時,，系統(tǒng)停止運(yùn)行。
4.2 DSP主程序設(shè)計
DSP主要負(fù)責(zé)按照控制指令驅(qū)動電機(jī)工作,，且實時檢測電源和電機(jī)的工作狀態(tài),，調(diào)節(jié)控制指令并判斷是否出現(xiàn)故障。
（1）電源與電機(jī)檢測
DSP 通過其A/D采樣通道檢測IPM電壓,、電流,、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速的檢測由DSP的正交編碼電路實現(xiàn)，通過在一段時間內(nèi)記錄編碼器輸出脈沖的上升沿個數(shù),，換算出電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的各工作參數(shù),，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)上限或下限,，判斷當(dāng)前閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否出現(xiàn)故障，以及故障的類型,，并生成相應(yīng)的狀態(tài)指令,，以發(fā)送到主控制器進(jìn)行處理。
（3）數(shù)據(jù)發(fā)送
DSP完成故障判斷后,，將故障判斷結(jié)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(yīng)動作。
5 結(jié)語
閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測模塊在系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)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(hù)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。
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