智能閥門電動執(zhí)行器設(shè)計與測試*

郭寶前

(國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司 昆明維搶修分公司，云南 昆明 650000)

0 引 言

閥門廣泛應(yīng)用于電力、水利、化工等行業(yè)并發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其執(zhí)行機構(gòu)用于閥門控制，是提高閥門控制精度、安全系數(shù)以及響應(yīng)速度的關(guān)鍵所在。針對國內(nèi)閥門普遍存在的控制精度低、穩(wěn)定性及安全性差、智能化水平不高的缺陷，國內(nèi)外科研機構(gòu)對閥門電動執(zhí)行器展開了一系列的研究，如德國SIPOS、ZMG，瑞士ABB，日本富士等公司在機電一體化、先進控制策略、智能通信等方面取得了突出成果[1-2]。國內(nèi)對閥門開度控制一般選擇PI、PID控制，控制效果一般，在特殊運行工況時閥門控制精度較差。

筆者針對閥門控制精度較差問題，以閥門電動機構(gòu)為研究對象，基于DSP技術(shù)設(shè)計閥門電動執(zhí)行器，采用滑模控制技術(shù)對閥門電動執(zhí)行器進行優(yōu)化設(shè)計，以此達到提高閥門位置控制精度，提升閥門智能控制水平的目的。

1 工作原理及設(shè)計目標

閥門電動執(zhí)行器由驅(qū)動電機、閥門、機械傳動部件、位置傳感器、電源、微控制器、功率分析等模塊組成。對閥門開度進行調(diào)節(jié)時，微控制器模塊接收輸入的位置控制信號以及位置傳感器信號并進行邏輯分析，當輸入位置信號大于位置傳感器反饋信號時，控制驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)，直至輸入信號與反饋信號誤差為零時驅(qū)動電機制動停機[3]；當輸入位置信號小于位置傳感器反饋信號時，控制驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，減小閥門開度，直至反饋位置信號與輸入位置信號相等后控制驅(qū)動電機停機。

閥門電動執(zhí)行器要求能夠?qū)崟r、連續(xù)、精確地控制閥門開度，設(shè)計時需滿足以下條件：①定位精度，即當閥門執(zhí)行機構(gòu)運行狀態(tài)處于穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)閥門實際位置與設(shè)定位置的差值滿足控制精度要求；②動態(tài)響應(yīng)，即閥門位置輸出信號跟蹤閥門位置設(shè)定輸入信號變化速度的能力，跟蹤性能越好，動態(tài)響應(yīng)速度越快；③穩(wěn)定性，即當外接干擾或者存在不穩(wěn)定因素時，閥門運行狀態(tài)不會有任何改變的能力強弱，或者能夠在短時間內(nèi)恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)的能力。閥門電動執(zhí)行器設(shè)計的重點為硬件電路設(shè)計以及軟件算法設(shè)計。

2 系統(tǒng)設(shè)計

智能閥門電動執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計框圖見圖1所示，閥位控制信號、閥位反饋信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后送入SAF-XE167FM-72F80L核心CPU，核心CPU根據(jù)輸入信號進行邏輯判斷、運算處理，輸出閥位控制信號，控制閥門執(zhí)行機構(gòu)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止，以達到穩(wěn)定、快速、精確調(diào)節(jié)閥門開度的目的。閥門電動執(zhí)行器運行過程狀態(tài)、參數(shù)通過CAN總線通信方式傳送至監(jiān)控中心的LCD液晶顯示屏并實時、動態(tài)顯示。通過LCD液晶顯示屏可對閥門的實際開度進行設(shè)定并由核心CPU操作完成。

圖1 智能閥門電動執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計框圖

3 硬件設(shè)計

執(zhí)行器硬件設(shè)計以英飛凌的SAF-XE167FM-72F80L控制器為核心，由擴展電源供電電路、閥位控制信號/反饋信號A/D采樣電路、數(shù)據(jù)存儲電路、看門狗電路、驅(qū)動電路、LCD液晶顯示電路等組成。

3.1 電源供電電路

執(zhí)行器核心CPU所需的電壓等級為DC5V、DC3.3V，電源供電電路見圖2所示，由超低壓輸入電源模塊CUWB1205YMD-6WR3以及SPX1117M3芯片組成。輸入電源模塊的電壓輸出穩(wěn)定，瞬態(tài)響應(yīng)較好，自備氣壓、過流、過壓以及抗電磁干擾等功能，可直接為核心CPU供電[4-5]。SPX1117M3芯片用于核心CPU外圍器件供電，滿載為800 mA時壓降僅為1.1 V，可提供高質(zhì)量的電源供電保障。

圖2 電源供電電路

3.2 A/D采樣電路

閥位控制信號、閥位反饋信號位4～20 mA電流信號，在進入核心CPU前需完成A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計的A/D采樣電路見圖3所示，當MK2閉合時，輸入信號SigInput與電阻R2、GND形成回路，轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓信號，即為TL2543 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電位信號，對應(yīng)閥門的起始位置。輸入信號SigInput為20mA或者5 V時，對應(yīng)閥門滿度位置。

圖3 A/D采樣電路

3.3 驅(qū)動電機電路

閥門電動執(zhí)行器的驅(qū)動電路見圖4所示，用于控制驅(qū)動電機的運行方向和運行速度。該驅(qū)動電路由兩個或門互鎖、固態(tài)繼電器38D05、電平轉(zhuǎn)換、上拉電阻以及行程開關(guān)組成。核心CPU的P1.0、P1.1引腳電平狀態(tài)用于標識驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)(0×00)、反轉(zhuǎn)(0×01)以及停機(0×10)。上拉電阻與+220 V連接，系統(tǒng)初始化時將該電平設(shè)置為高電平，此操作可避免誤動作，實現(xiàn)驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)控制[6-7]。行程開關(guān)RES4用于防止閥門運行至極限位置時控制驅(qū)動電機停機。為實現(xiàn)閥門的精準、平穩(wěn)控制，驅(qū)動電機系統(tǒng)還配置有諧波齒輪傳動減速器，將驅(qū)動電機輸出的高轉(zhuǎn)速、小力矩的輸出功率轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、大力矩輸出功率。

圖4 驅(qū)動電機電路

4 軟件設(shè)計

4.1 算法設(shè)計

閥門電動執(zhí)行器實際運行時會受到減速器、電機等設(shè)備的干擾，影響閥門控制的穩(wěn)定性和精度。利用滑模控制方案，將閥門執(zhí)行機構(gòu)的運行位置控制在一定范圍之內(nèi)，并通過設(shè)置死區(qū)解決閥門電機振蕩問題，提升閥門控制精度和穩(wěn)定性。基于滑?？刂频拈y門電動執(zhí)行器控制原理見圖5所示[8-9]，在位置環(huán)引入滑?？刂破?，將閥位控制信號與閥位反饋信號的誤差作為滑模控制器的輸入并進行閥門位置智能調(diào)節(jié)。速度環(huán)的輸入信號為位置調(diào)節(jié)器輸出ωref以及反饋的ωm角速度誤差，由此完成驅(qū)動電機的精準控制。

圖5 基于滑?？刂频拈y門電動執(zhí)行器控制原理

4.2 程序設(shè)計

閥門電動執(zhí)行器軟件程序設(shè)計基于Keil uVision4軟件平臺采用C語言編程實現(xiàn)[10]。根據(jù)閥門電動執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計以及硬件設(shè)計原理，將軟件程序按照功能劃分為主程序模塊、閥門位置控制模塊、滑模算法控制模塊、功率控制模塊、故障診斷模塊、通訊模塊以及上位機模塊，詳見圖6所示。

圖6 智能閥門電動執(zhí)行器軟件設(shè)計模塊劃分

主程序模塊用于控制并順序調(diào)用其他模塊，同時還需完成閥門控制參數(shù)設(shè)置以及初始化，具體包括：①閥門控制參數(shù)：閥門開速度/時間、閥門開緊急速度/時間、閥門關(guān)速度/時間、閥門關(guān)緊急速度/時間、閥門方向、閥門關(guān)斷模式等；②驅(qū)動電機溫度參數(shù)：電機溫度閾值、電機溫度過熱極限值、電機溫度過低極限值等；③閥門位置參數(shù)：閥門開位置、閥門關(guān)末端位置、閥門實時位置采樣等。

閥門位置控制模塊用于控制閥門位置，具體步驟為：采集閥門位置實時信號并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)為電流信號，與給定閥門位置開度信號進行比較，若采樣電流信號小于給定值，則核心CPU驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)；反之，則驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)；若采樣電流信號與給定值的差值位于死區(qū)，則控制驅(qū)動電機停機。

功率控制模塊用于接收核心CPU控制指令并驅(qū)動電機運行。功率模塊與核心CPU間采樣CAN總線通訊完成控制指令傳輸，如接收核心CPU下發(fā)的運行模式、目標轉(zhuǎn)矩、裝束上限值等；同時驅(qū)動電機反饋的電壓、電流等實時運行數(shù)據(jù)并傳送至核心CPU。

上位機模塊用于實時顯示閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的標簽號、固件版本、電機型號、閥門控制參數(shù)、閥門位置參數(shù)、驅(qū)動電機溫度參數(shù)、電壓/電流實時運行數(shù)據(jù)、故障信息、通訊狀態(tài)、模擬/數(shù)字輸入/輸出、閥門實際運行位置曲線、轉(zhuǎn)矩曲線等，動態(tài)掌握閥門運行狀態(tài)。

5 實驗測試

為驗證智能閥門電動執(zhí)行器的正確性和適用性，在實驗室完成實驗測試。實驗測試需準備的設(shè)備包括主控制電路板、功率電路板、渦輪蝸桿、信號齒輪、驅(qū)動電機、LCD液晶顯示屏以及上位機等，實驗測試平臺見圖7所示。

圖7 閥門電動執(zhí)行器設(shè)計方案實驗測試平臺

在上位機監(jiān)控界面中預(yù)設(shè)閥門開度，統(tǒng)計并分析經(jīng)閥門電動執(zhí)行器控制后的實際開度，統(tǒng)計結(jié)果見表1。從表1可得閥門實際開度與預(yù)設(shè)開度基本一致，最大誤差不超過0.3%，滿足閥門控制精度要求。

表1 閥門位置檢測實驗數(shù)據(jù)

6 結(jié) 語

設(shè)計開發(fā)的智能閥門電動執(zhí)行器以DSP技術(shù)、滑?？刂萍夹g(shù)為核心，與傳統(tǒng)閥門電動執(zhí)行器相比，具有控制精度高、穩(wěn)定性好、操作性強的特點，提升了閥門控制的智能化水平。該閥門電動執(zhí)行器具備豐富的對外通訊接口以及開發(fā)通信協(xié)議，可滿足不同行業(yè)和系統(tǒng)的應(yīng)用。該智能閥門電動執(zhí)行器的設(shè)計總結(jié)為：①硬件設(shè)計以英飛凌的SAF-XE167FM-72F80L控制器為核心，包括擴展電源供電電路、A/D采樣電路、驅(qū)動電機電路等，從硬件上提升閥門電動執(zhí)行器控制的抗干擾性；②軟件設(shè)計以滑?？刂扑惴楹诵?，設(shè)計位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制方案，從軟件上提升閥門電動執(zhí)行器控制的控制精度和穩(wěn)定性；③完成實驗測試，測試結(jié)果表明該閥門電動執(zhí)行器運行穩(wěn)定、閥門位置控制精確，誤差率不大于2.5%。