□ 喬 磊 □ 吳吉峰 □ 柴大江 □ 尹衛(wèi)平

1.揚州電力設(shè)備修造廠有限公司 江蘇揚州 2250032.云南大為制氨有限公司 云南曲靖 655000

1 設(shè)計背景

電動執(zhí)行機構(gòu)是自動控制領(lǐng)域的一種常用機電一體化設(shè)備,控制對象為閥門,用于控制閥門的打開及閉合。帶有多圈編碼器的智能型電動執(zhí)行機構(gòu),可以實時檢測閥門位置,需要對閥門的終端位置進行記錄,根據(jù)開終端、關(guān)終端多圈編碼器信號的線性關(guān)系計算出閥位百分比。電動執(zhí)行機構(gòu)在出廠前一般會進行閥位標定,并且只能通過人工手動記錄開終端、關(guān)終端位置,進行閥位標定,終端位置的判斷依賴操作人員的經(jīng)驗,標定的閥位誤差大、精度低,并且與現(xiàn)場使用情況不一致,操作人員需要根據(jù)現(xiàn)場閥門的情況重新進行閥位標定。由此,電動執(zhí)行機構(gòu)從出廠到現(xiàn)場使用經(jīng)歷多次閥位標定操作,閥位標定頻率較高。

為了解決閥位標定的精度問題,同時提升智能型電動執(zhí)行機構(gòu)的自動化水平,設(shè)計了一種自動、快速、可靠標定閥位終端位置的電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng),并給出其控制策略。

2 系統(tǒng)方案

電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)包括主控制單元、多圈絕對編碼器、單圈編碼器、顯示驅(qū)動模塊、顯示屏、電機驅(qū)動模塊、電機等,如圖1所示。

▲圖1 電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)

主控制單元包括微控制單元及其外圍電路,采用ARM內(nèi)核的32位微控制單元。主控制單元通過串口實現(xiàn)與多圈絕對編碼器進行數(shù)據(jù)通信,在微控制單元內(nèi)根據(jù)多圈絕對編碼器信號的線性關(guān)系,計算閥位百分比,根據(jù)單圈編碼器信號,計算力矩百分比。主控制單元通過串口實現(xiàn)與顯示驅(qū)動模塊進行數(shù)據(jù)通信,顯示驅(qū)動模塊讀取電動執(zhí)行機構(gòu)信息,并驅(qū)動顯示屏實現(xiàn)顯示。主控制單元通過輸入、輸出口連接電機驅(qū)動模塊,由電氣驅(qū)動模塊驅(qū)動電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停機。多圈絕對編碼器用于檢測行程信號。電動執(zhí)行機構(gòu)的行程位移轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)信號,由微控制單元讀取,計算出閥位百分比。單圈編碼器用于檢測力矩信號。電動執(zhí)行機構(gòu)的受力變形轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)信號,由微控制單元讀取,計算出力矩百分比。

3 硬件原理

3.1 微控制單元

電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)需要對電動執(zhí)行機構(gòu)的行程信號、力矩信號進行實時檢測,并且在微控制單元內(nèi)根據(jù)多圈絕對編碼器信號的線性關(guān)系計算閥位百分比,根據(jù)單圈編碼器的信號計算力矩百分比。由此,對微控制單元的系統(tǒng)時鐘、數(shù)據(jù)存儲、運算能力提出了新的要求。

電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)選擇STM32F429IGT6作為主控芯片。這一主控芯片是基于Cortex-M4架構(gòu)的32 bit微控制單元,具有25.5億次整數(shù)運算能力,頻率達180 MHz,配置1 MB閃存存儲器和256 KB加4 KB隨機存取存儲器,工作電壓為1.7～3.6 V,外設(shè)資源豐富,完全滿足電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)的硬件控制需求。

對于電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)而言,不需要用到STM32F429IGT6的全部外設(shè)資源,豐富的外設(shè)資源同時為功能升級提供了保障。電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)主要使用兩路通用異步收發(fā)傳輸器、兩路輸入輸出口。一路通用異步收發(fā)傳輸器用于與多圈絕對編碼器通信,讀取行程和力矩信號。另一路通用異步收發(fā)傳輸器用于與顯示驅(qū)動模塊進行數(shù)據(jù)通信。輸入輸出口用于控制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

3.2 編碼器電路

電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)行程檢測和力矩檢測都采用磁旋轉(zhuǎn)感應(yīng)編碼器技術(shù),將行程位移和受力變形轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)信號,由微控制單元讀取,計算閥位百分比和力矩百分比。

編碼器電路如圖2所示,采用絕對角度位置傳感器芯片MLX90316。這一芯片屬于運用三軸霍爾技術(shù)的獨立傳感器芯片,不僅能夠感應(yīng)垂直于芯片表面的磁場強度,而且可以感應(yīng)平行于芯片表面的磁場強度。配合合適的磁路,這一芯片可以感應(yīng)出0 °～360 °旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的絕對角度位置。

▲圖2 編碼器電路

利用徑向磁化的小型磁鐵在芯片表面上方旋轉(zhuǎn),通過磁場的兩個矢量分量計算得到角度信息,實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)旋轉(zhuǎn)位置信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,產(chǎn)生一個正比于角度的輸出信號,通過串行外設(shè)接口輸出至微控制單元,滿足電動執(zhí)行機構(gòu)精確位置檢測要求。

3.3 顯示電路

電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)置薄膜場效應(yīng)晶體管全彩液晶顯示屏,具有背光亮度可調(diào)、視角廣、響應(yīng)速度快、圖像穩(wěn)定、分辨率高等特點,提供簡潔易懂、清晰直觀的狀態(tài)信息,如閥門位置、力矩信息等。顯示電路如圖3所示。通過模擬量輸出口,可以控制顯示屏的亮度。

▲圖3 顯示電路

3.4 電機驅(qū)動電路

在電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)中,電機經(jīng)過減速器最終帶動編碼器旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)行程及力矩檢測。電機驅(qū)動電路如圖4所示。微控制單元的輸入輸出口分別連接電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制引腳,控制引腳經(jīng)兩個三極管形成互鎖,通過兩路光耦控制兩個信號繼電器,信號繼電器控制交流接觸器線圈通斷,進而控制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。為防止誤觸發(fā)而引起電機誤動作,信號輸出端均通過干簧管繼電器隔離輸出。

▲圖4 電機驅(qū)動電路

4 控制策略

近年來,隨著新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,我國工業(yè)自動化控制技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用有了很大發(fā)展。在這一背景下,電動執(zhí)行機構(gòu)的自主標定是電動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展趨勢。

電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng)的控制策略如圖5所示,可以在不需要人工直接干預(yù)的情況下完成閥位標定。第一步進行故障判斷,只有在無故障的情況下才能進行調(diào)試。第二步進行開終端位置標定,主控制單元檢測單圈編碼器的力矩信號,將檢測到的力矩信號與開向設(shè)定值力矩信號時刻進行比較,一旦檢測到的力矩信號大于開向設(shè)定值力矩信號,說明電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動閥門已到全開位置,電動執(zhí)行機構(gòu)停止運行,微控制單元將多圈絕對編碼器的信號存儲至芯片中,記做開終端位置。第三步進行關(guān)終端位置標定,主控制單元將檢測到的力矩信號與關(guān)向設(shè)定值力矩信號時刻進行比較,一旦檢測到的力矩信號小于關(guān)向設(shè)定值力矩信號,說明電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動閥門已到全關(guān)位置,電動執(zhí)行機構(gòu)停止運行,微控制單元將多圈絕對編碼器的信號存儲至芯片中,記做關(guān)終端位置。微控制單元根據(jù)開終端位置、關(guān)終端位置的線性關(guān)系計算出閥位百分比,由此完成閥位標定。

▲圖5 控制策略

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種電動執(zhí)行機構(gòu)自主調(diào)試系統(tǒng),并給出了其控制策略,可以方便現(xiàn)場操作人員進行閥門與電動執(zhí)行機構(gòu)的聯(lián)調(diào),實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)自動、準確完成閥門開終端位置和關(guān)終端位置的標定工作。在自動調(diào)試中,通過力矩判定,保護閥門免受過力矩損壞,同時避免以人工經(jīng)驗標定閥位誤差大的問題,具有自動可靠、定位精準的優(yōu)點。