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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)
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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算出實(shí)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(jì)算得到閥門的行程數(shù)值。
4 檢測模塊軟件設(shè)計(jì)
檢測模塊功能的良好實(shí)現(xiàn)，不僅需要合理的硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)對模塊的工作性能也有很大影響。軟件設(shè)計(jì)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(shí)時性。由于系統(tǒng)采用主控制器加DSP的硬件設(shè)計(jì)，因此需要分別設(shè)計(jì)各個微處理器的程序。
4.1 MSP430主程序設(shè)計(jì)
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(shí)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(jì)
DSP主要負(fù)責(zé)按照控制指令驅(qū)動電機(jī)工作，且實(shí)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(shí)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(jì)上充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)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。
