摘 要：介紹了電動(dòng)閥綜合自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件組成、主要功能及其技術(shù)特點(diǎn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器多路信息融合的高速高精度采集、多路輸出控制功能，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)閉環(huán)和開環(huán)等調(diào)控模式。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)滿足實(shí)際需要，具有很好的可靠性和實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)閥；信息融合；傳感器；步進(jìn)電機(jī)；可靠性

　　在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中，調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用越來越廣。為了檢測(cè)調(diào)節(jié)閥在特殊工作環(huán)境下的機(jī)械及電氣特性等性能，需要有一套完整的閥門測(cè)試與控制系統(tǒng)。為達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，需進(jìn)行諸如振動(dòng)、沖擊、熱平衡等試驗(yàn)，以精確地控制閥門的開度。本文針對(duì)這一問題，研究和設(shè)計(jì)了電動(dòng)閥綜合測(cè)控儀，通過檢測(cè)閥門位置及管道中的介質(zhì)流速，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門碟片轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)位置控制。
1 控制方式選擇
　　由于本設(shè)計(jì)中電動(dòng)閥采用‘T’字型的三通閥，該閥的機(jī)械特性具有非線性特征，導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與閥碟片轉(zhuǎn)動(dòng)角度存在偏差。根據(jù)閥門機(jī)械圖理論計(jì)算，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)152°時(shí)，碟片達(dá)到最大理論開度值72.33°。利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以不同頻率和不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的次數(shù)，通過位置傳感器得出碟片實(shí)際位置，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

　　分析表1中數(shù)據(jù)，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)期供電，電機(jī)頻率較高時(shí)，減速機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生慣性現(xiàn)象，閥門轉(zhuǎn)動(dòng)位置產(chǎn)生了累計(jì)偏差。為此，利用把位置傳感器加入到控制系統(tǒng)中的閉環(huán)控制，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

　　對(duì)比表1和表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)，閉環(huán)控制較開環(huán)控制閥門碟片可更精確地轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定位置。為使用方便，系統(tǒng)可自行選擇開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，以滿足不同要求。
2 控制器總體結(jié)構(gòu)
　　電動(dòng)閥綜合測(cè)控儀主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各傳感器信號(hào)的采集、閥門狀態(tài)檢測(cè)，并利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行閥門控制，同時(shí)具有人機(jī)操作的鍵盤、顯示器等。控制器可以脫機(jī)單獨(dú)工作，也可方便實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的串行通信，完成對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和整體系統(tǒng)的管理。
　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)功能可以分為系統(tǒng)自檢功能模塊、閥門控制功能模塊、數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊、電源模塊、串行通信模塊、鍵盤及顯示模塊等幾部分。為確保‘T’字型的三通閥閥門碟片準(zhǔn)確到位，電源電路、閥門位置檢測(cè)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要由微處理器、隔離驅(qū)動(dòng)控制接口、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、人機(jī)接口及通信接口等組成。圖1中的i表示系統(tǒng)需進(jìn)行檢測(cè)與控制的閥門個(gè)數(shù)。通過接受鍵盤或上位PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，按照規(guī)定的頻率和角度及轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。微處理器選用基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS的ATmega128。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器，寄存器直接與算術(shù)邏輯單元相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，提高了代碼效率，具有比普通微處理器高10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率[1]。信號(hào)采集調(diào)理完成對(duì)位置傳感器、介質(zhì)流速傳感器及電壓傳感器的信號(hào)采集及調(diào)理。通信接口實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的信息交換與對(duì)驅(qū)動(dòng)器在線監(jiān)控，可分別實(shí)現(xiàn)脫機(jī)和聯(lián)機(jī)工作。
3 功能模塊設(shè)計(jì)
3.1電源模塊
　　根據(jù)閥門綜合控制器功能，電源模塊需要提供+5 V、±12 V和+24 V的電源。傳統(tǒng)的線性電源效率低、體積大，同時(shí)考慮晶體管和MOS管開關(guān)特性、過壓過流的保護(hù)，控制回路的穩(wěn)定性，因此采用體積小、重量輕，效率高達(dá)90%以上的開關(guān)電源。系統(tǒng)采用TOP switch-II系列芯片作為電源部分的主要芯片， LTV817A型光耦合器及TL431C型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器作為輔助芯片組成了系統(tǒng)電源部分。在 +3.3 V、+5 V、+12 V 3路增加了LC型濾波器。減小了輸出紋波電壓[2-3]。
3.2 采集模塊
　　采集模塊電路主要利用基準(zhǔn)電壓源作為檢測(cè)基準(zhǔn)，并采用AD977A的16位A/D，完成對(duì)位置傳感器、介質(zhì)流速傳感器及電壓、電流傳感器的信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換。并將信號(hào)送入微處理器進(jìn)行處理并顯示，或聯(lián)機(jī)狀態(tài)送入PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)測(cè)。為保證采集信號(hào)可靠性，采用前端RC濾波。同時(shí)在信號(hào)轉(zhuǎn)換精確度上，重點(diǎn)考慮了以下3個(gè)問題：(1)是參考電源的選取：AD977A雖然有內(nèi)置的參考電源，但由于其溫度系數(shù)較大，影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，采用外加溫度系數(shù)小的參考電源，減小溫度的影響，提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度；(2)AD977A的偏置和增益的調(diào)整：AD977A需要調(diào)節(jié)零點(diǎn)偏置和增益誤差，通過典型采樣點(diǎn)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，調(diào)整電路中電位器的阻值，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換；(3)共地：將A/D轉(zhuǎn)換電路數(shù)字地獨(dú)立，并與其他電路數(shù)字地隔離，抑制了外界干擾。從而準(zhǔn)確得到閥門的當(dāng)前位置，并實(shí)時(shí)顯示設(shè)定值和實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)值。 數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
　　步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)是閥門控制模塊系統(tǒng)的核心部分。在脫機(jī)情況下單獨(dú)設(shè)定參數(shù)，或通過接收PC機(jī)設(shè)置的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器需要的控制脈沖，由微處理器經(jīng)步進(jìn)電機(jī)隔離驅(qū)動(dòng)接口后直接送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器按照給定驅(qū)動(dòng)頻率和步數(shù)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用PWM控制方式，使電動(dòng)機(jī)繞組電流跟隨給定變化，減小超調(diào)現(xiàn)象發(fā)生，防止閥門損壞。具體連接如圖3所示。

　　圖3中主控芯片的CA、CB、CC通過光電隔離分別連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖、方向、脫機(jī)。在主控芯片未對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)指令時(shí)，由繼電器控制系統(tǒng)切斷步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器電源。為了監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在電源的通斷上增加了自檢功能，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器部分電源是否正常工作的判斷。
4 軟件設(shè)計(jì)
　　根據(jù)電動(dòng)閥控制器的總體框架結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)主要包括閥門碟片位置采集模塊、預(yù)到達(dá)位置和運(yùn)行速度設(shè)置及處理模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、串行通信模塊、鍵盤及顯示模塊、軟件抗干擾模塊等。
4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序
　　根據(jù)閥門碟片的當(dāng)前位置計(jì)算出碟片旋轉(zhuǎn)的速度，當(dāng)前位置和速度分別與設(shè)定值作比較，計(jì)算脈沖間隔時(shí)間，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。程序流程圖如圖4所示。

4.2 軟件抗干擾
　　系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)，為避免外界干擾，造成錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)輸出，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作或產(chǎn)生故障，主控芯片發(fā)出一個(gè)正確數(shù)據(jù)后，采取對(duì)步進(jìn)電機(jī)方向控制信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)及繼電器通斷信號(hào)瞬間多次讀入功能，直到認(rèn)為準(zhǔn)確無誤后才輸入存放。具體流程如圖5所示。

　　由于該控制器的工作條件惡劣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中重點(diǎn)考慮了抗干擾問題。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和系統(tǒng)測(cè)試，證明利用上述方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行可靠。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳冬云，杜敬倉，任柯燕.ATmega128單片機(jī)原理與開發(fā)指導(dǎo) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[2] 沙占友.單片開關(guān)電源最新應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.
[3] 徐志躍.電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中的開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，15(6)：777-779.
[4] 劉寶廷，程樹康.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.