電動驅(qū)動閥控制器電路模型與實現(xiàn)

陳冬琳　殷建軍

摘 要：該文針對單相同步電機驅(qū)動閥傳統(tǒng)控制電路造成的可控硅及附屬電路燒毀現(xiàn)象，通過建立單相同步電機電壓模型，分析了控制閥芯限位開關(guān)造成的可控硅及附屬電路可能燒毀部件，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了面向地?zé)峤粨Q控制的基于SOC處理器的電動驅(qū)動閥控制器，其溫度控制精度及使用壽命都達到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：SOC處理器 電壓平衡 可控硅 地板供熱控制

中圖分類號：TD632.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-02

電動驅(qū)動閥由于其低廉的成本及一定的可調(diào)節(jié)特性，在工業(yè)及民用建筑領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。交流同步減速電機是一種電動控制閥驅(qū)動執(zhí)行單元，它具有輸出轉(zhuǎn)矩大，無需減速單元，同時由于同步電機可以根據(jù)控制時間（與交流50 Hz的周期整數(shù)時間倍）實現(xiàn)對控制閥的位置控制，大大減少了控制閥執(zhí)行部件，提高了可靠性。

然后，單相同步減速電機需要采用可控硅控制方法才能實現(xiàn)相對比較可靠的時間控制，同時，還需要進行機械限制來實現(xiàn)累計誤差的清除，機械限制的瞬時切斷對可控硅造成了很大沖擊，導(dǎo)致可控硅控制的失效。為此，該文從交流同步減速電機控制的瞬態(tài)特性出發(fā)，建立同步減速電機的繞組電壓模型，分析了限位開關(guān)導(dǎo)致的可控硅及附屬電路造成的故障，并應(yīng)用SOC處理器開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動控制器，并應(yīng)用于地?zé)峤粨Q控制中，取得了比較理想的控制

效果。

1 位置保護的控制閥驅(qū)動電路模型

單相永磁交流同步減速電機其控制電路如圖1所示，它是基于電容啟動與運行的單相正反轉(zhuǎn)系統(tǒng)。其中S1和S2為交流同步減速電機驅(qū)動的控制閥限位開關(guān)，P-CONTROL和N-CONTROL分別對應(yīng)正向控制及反向控制信號，C1為相位電容。單相永磁同步電動機從原理上講是凸極同步電動機，其繞組L1和L2電壓平衡方程為：

當(dāng)限位S1或者S2開關(guān)起作用時，其電流回路發(fā)生改變，Q3和Q4可控硅有一只仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，不妨假設(shè)Q3處于導(dǎo)通狀態(tài)。同步電動機的等效2個繞組的串聯(lián)電路。

設(shè)L1繞組處于電流最大值為MAX，為零，當(dāng)限位開關(guān)產(chǎn)生作用，此時的電流無法回到N回路中，只有通過繞組L2，導(dǎo)致繞組L2的電流產(chǎn)生突變。由公式（1-1a）和（1-1b）可以看出，繞組L2產(chǎn)生很大的反電動勢。同時，電流一方面通過C1，另一方面通過R19和C4，再通過Q3或者R8等回路返回。這就會導(dǎo)致R19的燒毀；當(dāng)R19功率加大時，會導(dǎo)致R8的燒毀，這與試驗過程燒毀的現(xiàn)象是一致的。

另一方面，L2產(chǎn)生反電動勢高壓，會加載到Q4可控硅上，由于L電壓與反電動勢電壓產(chǎn)生相位差，造成Q4承受的壓力加大，導(dǎo)致Q4管子的損毀，在試驗過程中，當(dāng)Q3導(dǎo)通時，造成Q4管子的損毀，與電路分析的結(jié)果一致。

2 電動控制閥控制器的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

針對地?zé)峥刂浦胁捎脽崴疅嵩磁c回水冷源進行熱交換實現(xiàn)地?zé)岱炙鳒囟瓤刂疲趩蜗嗤綔p速電機控制閥包括控制器與執(zhí)行器兩部分組成，如圖2所示。其控制器結(jié)構(gòu)有嵌入式處理器C8051F015、可控硅隔離驅(qū)動電路與濾波電路、分水器溫度監(jiān)測、遠程控制設(shè)置及電源處理等。

嵌入式處理器C8051F015根據(jù)現(xiàn)場設(shè)定（或者遠程RS-485設(shè)定），并以時間為目標，應(yīng)用閥芯特性曲線和修正PID控制算法，實現(xiàn)對控制閥導(dǎo)通時間的控制，達到地?zé)岱炙鳒囟鹊妮^為精確的控制，分水器溫度采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，其監(jiān)測精度在±0.5 ℃，完全能滿足分水器溫度要求。

由前面對可控硅驅(qū)動電路模型的分析，由閥芯限位控制導(dǎo)致可控硅及附屬電路的損毀現(xiàn)場，為此，對驅(qū)動電路進行了修改，如圖3所示。其中L1、L2為同步電機繞組，C20為相位電容。相位電容兩邊增加了2只壓敏電阻，以防止電路切斷導(dǎo)致高壓，在HOT輸入端設(shè)有自恢復(fù)保險絲，同步電機限位信號輸入到處理器，并由處理器實現(xiàn)對電機的位置控制，從而避免了回路切斷導(dǎo)致的高壓。

2 控制器軟件實現(xiàn)

基于同步減速電機控制閥，其閥芯正向及反向最大行程可以用同步電機開啟時間來描述，當(dāng)閥芯處于正向最大位置時，分水器與熱水聯(lián)通，而與回水完全斷開；當(dāng)閥芯處于零位時，分水器與熱水完全斷開，而與回水全部接通。

整個行程轉(zhuǎn)化為單相同步減速電機運行時間為15 s，SOC處理器控制輸出的基本時間單位為20 ms，即50 hz周期，整個行程轉(zhuǎn)化基本控制時間隨對應(yīng)數(shù)字控制量為750。由于閥芯位置與流量特性曲線是非線性的，而且特性曲線很難測量，為此，系統(tǒng)采用PID控制算法，其控制模型式2所示，根據(jù)控制要求及閥芯執(zhí)行周期，系統(tǒng)采用控制周期為3 s。

根據(jù)以上控制算法要求及電路設(shè)計來設(shè)計控制器的軟件，包括數(shù)字溫度傳感器的讀取程序、PID控制算法、通信處理、閥芯上死點及下死點信息處理等部分，根據(jù)數(shù)字溫度傳感器對時序的要求，采用C51及匯編語言混合編程。其主體流程如圖4所示。

由于閥芯最小執(zhí)行時間為20 ms，閥芯正反轉(zhuǎn)死區(qū)補償成為必不可少，閥芯控制輸出程序有兩部分組成，其一是定時器0中斷控制處理，另一部分為方向反轉(zhuǎn)加入死區(qū)補償處理，其程序流程如圖5所示。當(dāng)補償寄存器不為零時，定時中斷處理函數(shù)就先執(zhí)行補償直到補償寄存器為零，再轉(zhuǎn)入實際位置處理部分。

3 結(jié)語

該文通過單相同步電動機控制閥控制電路建模，分析與討論常規(guī)可控硅控制電路在閥芯限位條件下的電路特性，及由此造成控制故障，在基礎(chǔ)上開發(fā)了面向地?zé)峤粨Q控制的可控硅控制的電動驅(qū)動閥控制器，通過實際運行結(jié)果表明，當(dāng)目標設(shè)定為55 ℃，其分水器溫度控制在（55±1.0） ℃，與相同類型繼電器控制結(jié)果在3.5 ℃大為提高。改進的可控硅控制電路克服了轉(zhuǎn)閥限位導(dǎo)致的可控硅控制失效，大大提高了溫度調(diào)節(jié)器的使用壽命。

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