王 新

（中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）

0 引言

當(dāng)前浮選機(jī)加藥的調(diào)節(jié)方法有手動(dòng)調(diào)節(jié)、電磁閥調(diào)節(jié)以及電動(dòng)閥調(diào)節(jié)等。手動(dòng)調(diào)節(jié)主要靠工人的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)操作工的技術(shù)要求高，加藥精度低且藥劑消耗大[1]。電磁閥調(diào)節(jié)利用電磁閥開(kāi)關(guān)的特性，采用脈動(dòng)的方式添加藥劑，藥劑添加不均勻，脈動(dòng)流下的藥劑流量測(cè)量不精確。由于電動(dòng)閥調(diào)節(jié)可以連續(xù)調(diào)節(jié)藥劑的添加量，電動(dòng)閥普遍采用4 mA～20 mA電流控制方式，信號(hào)誤差大，閥門開(kāi)度復(fù)原性差，調(diào)節(jié)速度慢，且有一定延時(shí)，因此，設(shè)計(jì)了一種具有穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力、調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)速度快、采用數(shù)字信號(hào)、低成本的電動(dòng)控制閥，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

電動(dòng)控制閥主要由步進(jìn)電機(jī)、行星減速機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、三片式球閥、外殼和電路板等組成，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)控制閥組成示意圖

其工作原理：控制信號(hào)通過(guò)CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線輸入閥門預(yù)開(kāi)啟角度信息，MCU（單片機(jī)）進(jìn)行信息處理，根據(jù)開(kāi)度要求控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)行星減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)球閥閥體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門開(kāi)度的精確控制，并將閥門開(kāi)度以百分?jǐn)?shù)的形式顯示在LCD（液晶顯示屏）上。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)、閉限位功能，防止閥門過(guò)轉(zhuǎn)。硬件電路設(shè)計(jì)有實(shí)體按鍵，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門。調(diào)節(jié)完畢后，自動(dòng)存儲(chǔ)閥門開(kāi)度值，并通過(guò)CAN總線定期回傳開(kāi)度信息。整機(jī)采用低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了后備電池單獨(dú)供電的功能，可以在斷電情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的緊急控制。

2 硬件電路與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路包括單片機(jī)（MCU）、CAN收發(fā)模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源管理、后備電池模塊、LCD液晶顯示模塊以及按鍵等，功能框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路功能框圖

該設(shè)計(jì)考慮了產(chǎn)品的低功耗性能，選用德州儀器公司的MSP430F5438A單片機(jī)作為主處理器，其工作電壓為1.8 V～3.6 V，超低功耗設(shè)計(jì)，激活模式下在8 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘及3.0 V供電下的消耗電流為230 μA/MHz（典型值），待機(jī)模式下的消耗電流為1.2 μA（典型值），從待機(jī)模式到激活模式的喚醒時(shí)間為3.5 μs（典型值），具有256 kB閃存和16 kB隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），采用最高25 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的16位精簡(jiǎn)指令集（RISC）構(gòu)架，具有3個(gè)定時(shí)器，可以進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制輸出，具有1個(gè)16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和4個(gè)通用串行通信接口（USCI），具有1個(gè)32位硬件乘法器。主要功能：與CAN收發(fā)模塊通信；輸出PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)及步頻、步數(shù)控制；監(jiān)測(cè)步進(jìn)電機(jī)工作電流及丟步、卡轉(zhuǎn)等異常狀態(tài)，使電機(jī)在堵轉(zhuǎn)時(shí)得到保護(hù)，以避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大燒壞元器件[2]；各模塊電源管理及外部供電電壓、內(nèi)部電池電量監(jiān)測(cè)；液晶模塊顯示控制；按鍵響應(yīng)等。該處理器采用低功耗喚醒模式運(yùn)行，整機(jī)的待機(jī)電流≤1 mA。

步進(jìn)電機(jī)控制采用意法半導(dǎo)體公司的L298P芯片，該芯片是一款雙路全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)控制2個(gè)直流電機(jī)或1個(gè)四線制步進(jìn)電機(jī)，工作電壓為6 V～46 V，具有2 A電流驅(qū)動(dòng)能力以及過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)功能。該設(shè)計(jì)采用負(fù)反饋放大電路恒流方式驅(qū)動(dòng)，電路原理如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖

其工作原理如下：U3接收來(lái)自單片機(jī)的電機(jī)使能信號(hào)及四路PWM控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)繞組A及繞組B電路一致，以繞組A為例，繞組通電時(shí)，采樣電阻R7兩端產(chǎn)生電壓信號(hào)，輸入放大器U5B同相輸入端，經(jīng)過(guò)同相放大后的電壓信號(hào)輸入比較器U8B同相輸入端，1.2 V電壓基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)U8A放大器跟隨隔離后輸入比較器U8B反相輸入端，U8B輸出端經(jīng)限流電阻R12接三極管Q2基極，Q2工作在放大區(qū)，形成負(fù)反饋電路。當(dāng)流過(guò)繞組線圈的電流增大時(shí)，電阻R7兩端電壓增大，經(jīng)放大器U5B同相放大后的電壓增大，當(dāng)電壓大于1.2 V時(shí)，比較器U8B輸出端輸出高電壓，使Q2基極的電壓升高，流過(guò)電阻R9的電流減小，Q2基極的電流減小，因?yàn)镼2工作在放大區(qū)，所以Q2集電極的電流減小，使流過(guò)繞組A的電流減小，起到穩(wěn)定電流的作用。將放大器U5B放大后的電壓信號(hào)反饋給單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)或失步時(shí)，電流會(huì)出現(xiàn)異常，單片機(jī)識(shí)別后，可以進(jìn)行快速處理。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將程序分為若干模塊，以中斷為觸發(fā)方式，程序運(yùn)行完畢進(jìn)入低功耗模式等待下次觸發(fā)。其程序流程如圖4所示。

當(dāng)CAN模塊接收到信息或者按鍵按下將觸發(fā)中斷，單片機(jī)退出低功耗模式進(jìn)入正常程序，進(jìn)行信息處理，根據(jù)處理結(jié)果輸出PWM信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)相應(yīng)步數(shù)，并監(jiān)控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流；當(dāng)電流異常時(shí)，啟動(dòng)異常處理程序，重新調(diào)整電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)完畢、閥門達(dá)到預(yù)設(shè)定要求時(shí)，更新閥門開(kāi)度顯示，并輸出閥門開(kāi)度信息，當(dāng)程序結(jié)束后，進(jìn)入低功耗模式，等待下次觸發(fā)。

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)采用整步控制方式，每轉(zhuǎn)動(dòng)1步需要4個(gè)狀態(tài)，即A繞組通電、AB繞組同時(shí)通電、B繞組通電以及AB繞組同時(shí)通電?？刂齐姍C(jī)正、反轉(zhuǎn)只需要改變繞組的通電方向，例如正轉(zhuǎn)時(shí)，A、B繞組施加正向電流，反轉(zhuǎn)時(shí)，A、B繞組施加反向電流。電流的流向和繞組的通斷通過(guò)單片機(jī)輸出的PWM波形控制，步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制的PWM波形如圖5所示。

3 性能分析

該設(shè)計(jì)選擇42H4813A4型兩相四線制步進(jìn)電機(jī)，步距角1.8 °，步距誤差5%，驅(qū)動(dòng)電流1.3 A，靜力矩52 N·cm，線圈電阻3.2 Ω。電機(jī)接42系列2級(jí)傳動(dòng)行星減速機(jī)，減速比50 ∶1，額定負(fù)載15 N·m，最大負(fù)載25 N·m，效率90%，回差≤0.25°。減速機(jī)連接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由2個(gè)90°傘型齒輪做1 ∶1變向傳動(dòng)，一側(cè)齒輪背面設(shè)計(jì)90 °限位槽，防止過(guò)轉(zhuǎn)。最大負(fù)載37 N·m，效率為90%，回差≤0.083°。球閥選擇DN15 mm三片式球閥，承壓1.6 MPa，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩6 N·m。整體性能如下。

3.1 調(diào)節(jié)誤差

步進(jìn)電機(jī)每步旋轉(zhuǎn)的步距角誤差最大為5%，即0.09°，行星減速機(jī)的最大回差為0.25°，行星減速機(jī)進(jìn)行50 ∶1的減速，減速機(jī)輸出軸的最大步距角誤差為0.0068°，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的回程誤差為0.083°，總調(diào)節(jié)誤差為0.0898°，總調(diào)節(jié)角度為90°，調(diào)節(jié)誤差占比為0.1%，滿足0.2%的設(shè)計(jì)要求。

3.2 調(diào)節(jié)分辨率

步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，每轉(zhuǎn)動(dòng)1周需要200步，行星減速機(jī)的減速比為50 ∶1，帶動(dòng)球閥時(shí)，全關(guān)至全開(kāi)旋轉(zhuǎn)90°，則步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)12.5周，為2 500步，每步轉(zhuǎn)動(dòng)0.036°，每步調(diào)節(jié)0.04%。

3.3 輸出扭矩

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為52 N·cm，即0.52 N·m，經(jīng)行星減速機(jī)50 ∶1減速，減速機(jī)效率為90%，輸出軸扭矩為0.52×50×0.9=23.4 N·m，未超過(guò)行星減速機(jī)的最大負(fù)載要求（25N·m），經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，效率90%，則最終輸出扭矩為23.4×0.9=21.06 N·m，輸入軸及輸出軸均未超過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最大負(fù)載37 N·m。球閥的扭矩為6 N·m，考慮浮選藥劑黏性，閥門初始轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩應(yīng)大于固定扭矩的3倍，即輸出扭矩應(yīng)大于18 N·m，符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 最大調(diào)節(jié)時(shí)間

在調(diào)節(jié)閥門時(shí)，步進(jìn)電機(jī)采用恒定速率運(yùn)行，步頻1 000 Hz，轉(zhuǎn)速300 r/min，則全開(kāi)全閉的最大調(diào)節(jié)時(shí)間為2500÷1000=2.5 s，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的快速精確調(diào)節(jié)，滿足某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合下，需要快速、高精度控制的電動(dòng)閥的要求[3]。

3.5 功耗

圖4 程序流程圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用7.5 V供電，恒流1.3 A，其余元器件為低功耗器件，整機(jī)運(yùn)行最大瞬時(shí)功耗≤10 W。采用后備電池單獨(dú)供電時(shí)，電池為3.7 V、5 Ah的鋰充電電池，電源轉(zhuǎn)換效率90%，以單次調(diào)節(jié)的最長(zhǎng)總響應(yīng)時(shí)間4 s計(jì)算，可滿足1 000次調(diào)節(jié)。在待機(jī)模式下，各模塊電源關(guān)閉，只保留CAN收發(fā)模塊電源，則待機(jī)電流約為1 mA，可滿足待機(jī)6個(gè)月的要求。

4 試驗(yàn)效果

該設(shè)計(jì)在河北省礦用流量?jī)x表檢定站DN15 mm靜態(tài)容積法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行開(kāi)度與流量關(guān)系試驗(yàn)，通過(guò)CAN總線調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置確定流量，標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度為0.2%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 閥門開(kāi)度與流量關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)，電控閥在不同開(kāi)度對(duì)流量具有調(diào)節(jié)作用，反復(fù)開(kāi)關(guān)將閥門調(diào)至相同開(kāi)度，流量基本一致，閥門具有較好的重復(fù)性。

5 結(jié)語(yǔ)

該電動(dòng)控制閥采用了低功耗設(shè)計(jì)思路，從芯片選型、硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)等方面對(duì)功耗進(jìn)行控制，選用低成本器件，利用單片控制技術(shù)，使電動(dòng)控制閥的可靠性高，控制精度高，能夠快速調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，達(dá)到了降低成本的目的，滿足設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)以浮選機(jī)常用的DN15 mm管道作為電動(dòng)控制閥的管徑，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，根據(jù)不同管徑的閥門扭矩選擇適合的步進(jìn)電機(jī)及設(shè)計(jì)相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，研發(fā)DN6 mm～DN32 mm的電動(dòng)控制閥，形成系列產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)要求。此外，該設(shè)計(jì)選擇普通球閥，其閥門開(kāi)度與流量關(guān)系并非線性，為了獲得較好的線性調(diào)節(jié)特性，可以選擇“V”形球閥代替普通球閥。

圖5 步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制PWM波形