一種高精度、快速電動調節閥門控制器的設計與應用

沈 煒，陸 健

（南通航海機械集團有限公司，江蘇南通 226000）

0 引言

某些特定系統要求電動調節閥正常情況下全開至全關單行程（30 mm）的動作時間不大于8 s，且在接到外部流量信號時，除了能自動調節閥桿控制流量外，還要有快速關閉功能（一般電動機構實現不了此項功能）。與對普通電動閥的要求相比，對此類電動閥的要求（技術、功能、流量特性、材料等各方面）大大提高了。此類電動閥主要由電動執行機構和閥門 2部分組成，電動執行機構的核心為控制器。

1 總體方案設計

系統整體設計圖如圖 1所示。電動閥門執行機構采用單相AC 220 V/50 Hz供電，同時給電機和控制器提供電源。電機為特殊定制電機，具有啟動扭矩大等特點。控制器控制 1組固態繼電器通斷來控制電機正反轉，以此實現閥門開關。電源濾波模塊為控制器提供所需的電源，同時可以消除來自外部的干擾。控制器的核心為MCU主芯片，負責處理接收到的外部傳感器信號、與外部設備通信，所有與外部連接電路中間均設有隔離保護電路。閥位檢測模塊提供準確的閥位信息給控制器，為執行機構的控制精度提供了保障。人機接口模塊包含 OLED顯示屏，就地控制按鍵具有友好的參數顯示及設置界面。控制器與外部的通信方式包括RS-485、CAN等[1]。

圖1 系統整體設計圖

外部控制系統發出4 mA～20 mA控制信號，電動閥的控制器接受到外部控制信號后即開始驅動閥桿動作，當閥芯運動到目標值時，電動閥的控制器會根據行程傳感器實時測量的位置信號值停止電機運行，最后準確對閥芯進行定位（精度≤1%）。外部控制系統的流量計可以實時檢測流量，如果流量與設定值的差值超過誤差值，外部控制系統會發出控制信號，對電動閥進行位置修正。當外部控制系統發出小于等于4 mA的控制信號時，電動驅動裝置會迅速將閥門關閉，驅動裝置本身的機械鎖緊機構可以鎖緊閥門的關閉位置。

2 硬件電路設計

控制器按照硬件功能主要分為 6個部分，分別為核心控制模塊、電源模塊、閥位檢測模塊、電機驅動模塊、通信模塊和人機交互模塊，如圖2所示。

圖2 控制器硬件結構圖

2.1 核心控制模塊設計

核心控制模塊采用 32位高性能微控制器STM32F103VET6作為主芯片，外部電路包括晶振、復位電路和外部FLASH。核心控制模塊接收外部信號，經過一系列處理后，實時反映閥門閥位、運行情況等狀態，并輸出信號給電機控制模塊。STM32F103作為新一代的嵌入式ARM處理器，它在性能、成本、功耗方面有了巨大的進步，為用戶提供了卓越的處理性能、快速的中斷響應系統以及豐富的外設資源[2]。

2.2 閥位檢測模塊設計

閥位檢測模塊是保障穩定和精確控制閥位的關鍵所在。在電動閥門執行機構中，電機經過減速器帶動主軸旋轉，通過檢測主軸旋轉圈數轉換得到閥門的開度。本設計采用多圈絕對值編碼器進行檢測，優點是測量范圍大、精度高，在安裝時不必定位零點，在斷電恢復后可對閥位進行準確的檢測[3]。閥位檢測接口電路圖如圖3所示。

圖3 閥位檢測接口電路圖

2.3 模擬量輸入模塊設計

外部模擬量輸入4 mA～20 mA控制電動調節閥門開關是調節流量的主要手段，故外部輸入4 mA～20 mA的穩定與精度尤為重要。本設計采用ADI公司的AD654芯片進行壓頻轉換（V/F），AD654是一種低成本、8腳封裝的電壓頻率（V/F）轉換器，它由低漂移輸入放大器、精密振蕩器系統和輸出驅動級組成，使用時只需1個RC網絡[4]。通過高速光耦6N137與MCU隔離AD654的輸出信號，輸出頻率信號變化范圍為0～500 kHz，線性誤差為0.06%，輸入阻抗為250 M。具體電路如圖4所示。

圖4 4 mA～20 mA模擬量輸入電路圖

該驅動電流同時向定時電容C8充電，多諧振蕩器的振蕩頻率（輸出頻率）與這個充電電流成正比[5]。輸出頻率由Vin、R11和 C8以及最大輸入電壓Vmax共同確定，其關系為

3 軟件設計

電動閥執行機構的軟件采用模塊化的設計方式，包含初始化模塊、人機交互模塊、遠程控制模塊、就地控制模塊、參數設定模塊、電機控制模塊和故障檢測模塊。根據操作系統的框架，共進行了3層設計，如圖5所示。

圖5 軟件設計框架圖

系統啟動之后，執行初始化程序，對STM32的時鐘源、OLED顯示屏、I/0引腳、外部通信及各個硬件進行初始化。初始化完成后，從外部FLASH芯片中讀取設定好的參數信息，運行初始化線程，對系統的時鐘、I/O引腳、外設等進行初始化。接著讀取外部FLASH芯片，獲取芯片內部保存的參數信息。根據面板上的按鍵選擇工作模式。在就地模式下，根據就地按鍵信號調用電機控制模塊對電機進行控制；在遠程模式下，根據遠程模擬量信號或外部通信信號來調用電機控制模塊來控制電機運動；在設置模式下，調用人機交互模塊進行參數設置或瀏覽。在就地模式和遠程模式下，程序不斷地調用故障檢測模塊進行故障檢測，一但出現信號超限、信號中斷、過載等外部故障，程序立刻停止執行電機控制程序并對外發出報警信號，直到外部故障解除并重新獲得啟動信號。軟件設計簡要流程圖如圖6所示。

為了保證針對不同的設備機械結構控制精度都保持在1%范圍之內，本控制器實現了一種參數自整定功能，即：可以測定不同設備的補償量，計算整定值并保存在Flash芯片中，在電機控制程序中進行調用。參數自整定程序流程圖如圖7所示。

4 結束語

本控制器在設計中選擇了高性能、低成本的芯片，圍繞芯片設計出可靠的硬件電路，開發出專業的程序。本控制器具有友好的人機界面，通過與外圍設備的完美配合實現了對電動閥高精度、快速的智能化控制。隨著工業4.0的不斷推進，此類電動執行機構在各行各業中的運用會越來越廣泛。

圖6 軟件設計簡要流程圖

圖7 參數自整定程序流程圖