電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

□ 喬 磊 □ 吳吉峰 □ 柴大江 □ 尹衛(wèi)平

1.揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠(chǎng)有限公司 江蘇揚(yáng)州 2250032.云南大為制氨有限公司 云南曲靖 655000

1 設(shè)計(jì)背景

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一種常用機(jī)電一體化設(shè)備,控制對(duì)象為閥門(mén),用于控制閥門(mén)的打開(kāi)及閉合。帶有多圈編碼器的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),可以實(shí)時(shí)檢測(cè)閥門(mén)位置,需要對(duì)閥門(mén)的終端位置進(jìn)行記錄,根據(jù)開(kāi)終端、關(guān)終端多圈編碼器信號(hào)的線(xiàn)性關(guān)系計(jì)算出閥位百分比。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在出廠(chǎng)前一般會(huì)進(jìn)行閥位標(biāo)定,并且只能通過(guò)人工手動(dòng)記錄開(kāi)終端、關(guān)終端位置,進(jìn)行閥位標(biāo)定,終端位置的判斷依賴(lài)操作人員的經(jīng)驗(yàn),標(biāo)定的閥位誤差大、精度低,并且與現(xiàn)場(chǎng)使用情況不一致,操作人員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的情況重新進(jìn)行閥位標(biāo)定。由此,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從出廠(chǎng)到現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)歷多次閥位標(biāo)定操作,閥位標(biāo)定頻率較高。

為了解決閥位標(biāo)定的精度問(wèn)題,同時(shí)提升智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化水平,設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)、快速、可靠標(biāo)定閥位終端位置的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng),并給出其控制策略。

2 系統(tǒng)方案

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)包括主控制單元、多圈絕對(duì)編碼器、單圈編碼器、顯示驅(qū)動(dòng)模塊、顯示屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)等,如圖1所示。

▲圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)

主控制單元包括微控制單元及其外圍電路,采用ARM內(nèi)核的32位微控制單元。主控制單元通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與多圈絕對(duì)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,在微控制單元內(nèi)根據(jù)多圈絕對(duì)編碼器信號(hào)的線(xiàn)性關(guān)系,計(jì)算閥位百分比,根據(jù)單圈編碼器信號(hào),計(jì)算力矩百分比。主控制單元通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與顯示驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,顯示驅(qū)動(dòng)模塊讀取電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)信息,并驅(qū)動(dòng)顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示。主控制單元通過(guò)輸入、輸出口連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,由電氣驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停機(jī)。多圈絕對(duì)編碼器用于檢測(cè)行程信號(hào)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程位移轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)信號(hào),由微控制單元讀取,計(jì)算出閥位百分比。單圈編碼器用于檢測(cè)力矩信號(hào)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力變形轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)信號(hào),由微控制單元讀取,計(jì)算出力矩百分比。

3 硬件原理

3.1 微控制單元

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)需要對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程信號(hào)、力矩信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),并且在微控制單元內(nèi)根據(jù)多圈絕對(duì)編碼器信號(hào)的線(xiàn)性關(guān)系計(jì)算閥位百分比,根據(jù)單圈編碼器的信號(hào)計(jì)算力矩百分比。由此,對(duì)微控制單元的系統(tǒng)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算能力提出了新的要求。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)選擇STM32F429IGT6作為主控芯片。這一主控芯片是基于Cortex-M4架構(gòu)的32 bit微控制單元,具有25.5億次整數(shù)運(yùn)算能力,頻率達(dá)180 MHz,配置1 MB閃存存儲(chǔ)器和256 KB加4 KB隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,工作電壓為1.7～3.6 V,外設(shè)資源豐富,完全滿(mǎn)足電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)的硬件控制需求。

對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)而言,不需要用到STM32F429IGT6的全部外設(shè)資源,豐富的外設(shè)資源同時(shí)為功能升級(jí)提供了保障。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)主要使用兩路通用異步收發(fā)傳輸器、兩路輸入輸出口。一路通用異步收發(fā)傳輸器用于與多圈絕對(duì)編碼器通信,讀取行程和力矩信號(hào)。另一路通用異步收發(fā)傳輸器用于與顯示驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。輸入輸出口用于控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

3.2 編碼器電路

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)行程檢測(cè)和力矩檢測(cè)都采用磁旋轉(zhuǎn)感應(yīng)編碼器技術(shù),將行程位移和受力變形轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)信號(hào),由微控制單元讀取,計(jì)算閥位百分比和力矩百分比。

編碼器電路如圖2所示,采用絕對(duì)角度位置傳感器芯片MLX90316。這一芯片屬于運(yùn)用三軸霍爾技術(shù)的獨(dú)立傳感器芯片,不僅能夠感應(yīng)垂直于芯片表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度,而且可以感應(yīng)平行于芯片表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。配合合適的磁路,這一芯片可以感應(yīng)出0 °～360 °旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的絕對(duì)角度位置。

▲圖2 編碼器電路

利用徑向磁化的小型磁鐵在芯片表面上方旋轉(zhuǎn),通過(guò)磁場(chǎng)的兩個(gè)矢量分量計(jì)算得到角度信息,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),產(chǎn)生一個(gè)正比于角度的輸出信號(hào),通過(guò)串行外設(shè)接口輸出至微控制單元,滿(mǎn)足電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確位置檢測(cè)要求。

3.3 顯示電路

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)置薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管全彩液晶顯示屏,具有背光亮度可調(diào)、視角廣、響應(yīng)速度快、圖像穩(wěn)定、分辨率高等特點(diǎn),提供簡(jiǎn)潔易懂、清晰直觀(guān)的狀態(tài)信息,如閥門(mén)位置、力矩信息等。顯示電路如圖3所示。通過(guò)模擬量輸出口,可以控制顯示屏的亮度。

▲圖3 顯示電路

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)中,電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器最終帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)行程及力矩檢測(cè)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。微控制單元的輸入輸出口分別連接電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制引腳,控制引腳經(jīng)兩個(gè)三極管形成互鎖,通過(guò)兩路光耦控制兩個(gè)信號(hào)繼電器,信號(hào)繼電器控制交流接觸器線(xiàn)圈通斷,進(jìn)而控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。為防止誤觸發(fā)而引起電機(jī)誤動(dòng)作,信號(hào)輸出端均通過(guò)干簧管繼電器隔離輸出。

▲圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4 控制策略

近年來(lái),隨著新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用有了很大發(fā)展。在這一背景下,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自主標(biāo)定是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)的控制策略如圖5所示,可以在不需要人工直接干預(yù)的情況下完成閥位標(biāo)定。第一步進(jìn)行故障判斷,只有在無(wú)故障的情況下才能進(jìn)行調(diào)試。第二步進(jìn)行開(kāi)終端位置標(biāo)定,主控制單元檢測(cè)單圈編碼器的力矩信號(hào),將檢測(cè)到的力矩信號(hào)與開(kāi)向設(shè)定值力矩信號(hào)時(shí)刻進(jìn)行比較,一旦檢測(cè)到的力矩信號(hào)大于開(kāi)向設(shè)定值力矩信號(hào),說(shuō)明電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)已到全開(kāi)位置,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行,微控制單元將多圈絕對(duì)編碼器的信號(hào)存儲(chǔ)至芯片中,記做開(kāi)終端位置。第三步進(jìn)行關(guān)終端位置標(biāo)定,主控制單元將檢測(cè)到的力矩信號(hào)與關(guān)向設(shè)定值力矩信號(hào)時(shí)刻進(jìn)行比較,一旦檢測(cè)到的力矩信號(hào)小于關(guān)向設(shè)定值力矩信號(hào),說(shuō)明電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)已到全關(guān)位置,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行,微控制單元將多圈絕對(duì)編碼器的信號(hào)存儲(chǔ)至芯片中,記做關(guān)終端位置。微控制單元根據(jù)開(kāi)終端位置、關(guān)終端位置的線(xiàn)性關(guān)系計(jì)算出閥位百分比,由此完成閥位標(biāo)定。

▲圖5 控制策略

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng),并給出了其控制策略,可以方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行閥門(mén)與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)調(diào),實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)、準(zhǔn)確完成閥門(mén)開(kāi)終端位置和關(guān)終端位置的標(biāo)定工作。在自動(dòng)調(diào)試中,通過(guò)力矩判定,保護(hù)閥門(mén)免受過(guò)力矩?fù)p壞,同時(shí)避免以人工經(jīng)驗(yàn)標(biāo)定閥位誤差大的問(wèn)題,具有自動(dòng)可靠、定位精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。