阀门电动执行机构中检测模块的设计

    阀门是管道输送系统中的重要部件，广泛应用于电力、化工、石油和冶金等行业，对系统压力、流量和温度等参数进行调节。电动执行机构是控制和驱动阀门的重要装置，是对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的一种必不可少的执行部件。随着机电一体化技术的发展，电动执行机构在工业生产中体现出巨大的优势。阀门电动执行机构的可靠工作离不开检测模块，性能好和工作稳定可靠的检测模块对阀门电动执行机构的安全稳定运行至关重要。

    2 系统工作原理

    阀门电动执行机构（图1）主要由人机接口、控制器、电动执行器和检测模块组成。人机接口主要包括液晶显示、按键输入和远程遥控输入。电动执行器主要包括数字信号处理器（DSP） 、智能功率模块（IPM）和异步电机。检测模块包括电源检测、电机检测和阀门检测3部分。

    人机接口可设定运行参数，向控制器发送控制信号，同时可显示装置反馈的各种信息，完成对系统的实时监控。控制器接收人机接口发送来的控制信号，根据控制信号控制电动执行器工作，并实时检测阀门的位置和行程等反馈信号，调整相应的控制指令，此外控制器可实时向人机界面发送各种工作状态及故障诊断信号。电动执行器是主要的执行机构，DSP 接收控制器的指令，通过矢量控制技术驱动异步电机，电机输出轴经齿轮减速后拖动阀门启闭。

    检测模块分别对电源、电机和阀门的工作状态进行检测，并将检测到的各种信号经过变换，变成控制器可以识别的数字信号。电源检测主要进行电源缺相检测，异步电机驱动电压和电流检测，IPM 模块温度检测。电机检测主要进行电机转速检测，电机转子位置检测，转矩检测，电机和齿轮箱的温度检测。阀门检测主要进行阀门位置检测，阀门行程检测。电源检测和电机检测的信号反馈给DSP进行处理，阀门检测的信号反馈给控制器MSP430进行处理。

图1 阀门电动执行机构的结构

    3 检测模块硬件设计

    检测功能主要由检测电路和主控制器及电动执行器中的DSP实现。

    3.1 主控制器

    主控制器采用16位超低功耗、精简指令集单片机MSP430。单片机应处理能力强，运算速度快，片内集成FLASH存储器、16位A/D和通信接口等。

    3.2 电动执行器DSP

    电动执行器DSP采用定点32位芯片TMS320F2812。芯片应运算能力强，并具有丰富的外设。

    3.3 电源检测

    电源检测包括电源缺相检测、电压检测、电流检测和IPM模块温度检测。

    （1）电源缺相检测

    电源缺相检测主要由光耦和74LS123实现，74LS123是一种双可再触发单稳态多谐振荡器。取三相电源的A、C相为一组，B、C相为一组，分别接入两个光耦的输入端，光耦的输出接到74LS123上。由74LS123的输出状态可判断三相电源的缺相情况。

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    （2）电压检测

    电压检测采用霍尔电压传感器模块VSM025A，传感器按照一定的比例将输入的三相电压变至输出，输出的电压信号经滤波和信号调理后，变成0～ 3.3V的电压信号接入DSP的A/D采样输入通道，从而获得异步电机三相输入电压的反馈信号。

    （3）电流检测

    电流检测采用电流传感器LTS25－NP，传感器按照一定的比例将IPM输出的三相电流变至副边，输出的电流信号经过采样电阻转换成电压信号，再经过滤波和适当的信号调理后，变成0～3.3V范围内的电压信号接入DSP的A/D采样输入通道，从而获得异步电机三相定子电流的反馈信号。

    （4）IPM模块温度检测

    IPM 模块温度检测采用单总线数字温度传感器DS18B20，该传感器无需外部元件，可用单根数据总线供电，测温精度为0.5℃ 。测量结果为可编程的分辨率为9～ 12位的数字信号，其数据总线直接接到DSP的I/O口上，供DSP读取温度信号。

    3.4 电机检测

    电机检测包括电机转速检测、转子位置检测、转矩检测、电机和齿轮箱的温度检测。

    （1）电机转速检测

    电机转速通过光电编码器检测，本系统采用M法测速原理，及在某一采样时间内，通过对脉冲的计数来确定电机转速的大小。光电编码器输出两路相位相差90°的脉冲信号，这两路脉冲信号接入DSP的正交编码电路（QEP）检测脉冲信号的上升沿，计算电机的转速。

    （2）电机转子位置检测

    电机转子位置检测采用高精度的电位器，电位器输出信号接到DSP的A/D采样通道上，由DSP计算电机转子的位置。

    （3）转矩检测

    转矩检测采用集成的转矩传感器，传感器将执行机构的输出转矩直接转换成相应的电信号，该输出信号经过信号调理后转换成DSP的A/D输入端允许的输入电压范围，经A/D转换后计算出实际的转矩值。

    （4）电机和齿轮箱的温度检测

    电机和齿轮箱的温度检测方法与IPM模块温度检测相同。

    3.5 阀门检测

    阀门检测包括阀门位置检测和阀门行程检测。

    （1）阀门位置检测

    阀门位置检测采用高精度导电塑料电位器，其分辨率高，不存在电磁传感器的磁滞特性问题。电位器的两端加5V直流电，在电机转动时，传动装置带动电位器滑动，改变电位器的电阻值，使其动触点输出0～5V的电压，对应阀门的开度。电位器的输出信号直接接到MSP430单片机的A/D输入通道。

    （2）阀门行程检测

    阀门行程检测采用多圈绝对值编码器，编码器的输出直接接到单片机MSP430的I/O口上，单片机读取二进制码，通过计算得到阀门的行程数值。

    4 检测模块软件设计

    检测模块功能的良好实现，不仅需要合理的硬件设计，软件设计对模块的工作性能也有很大影响。软件设计过程中除考虑灵活性、可靠性和通用性之外，还要保证很好的实时性。由于系统采用主控制器加DSP的硬件设计，因此需要分别设计各个微处理器的程序。

    4.1 MSP430主程序设计

    MSP430单片机负责电动执行机构的主控任务，因此在主程序中主要进行系统的初始化、控制方式选择、阀门位置和行程检测以及显示等工作，并将控制指令及运行参数通过同步串行口送入DSP中，具体流程如图2所示。

图2 MSP430主程序流程图

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    （1）系统初始化

    系统上电后，首先进行初始化设置，包括I/O初始化，A/D初始化，SPI初始化等，而后从EEP-ROM中读取上次运行设定的参数值，包括行程初值、终值、速度、力矩以及控制方式选择标志位，并将这些参数存入数据寄存器中。

    （2）选择控制方式

    MSP430 根据控制方式标志，进入相应的程序分支，可选控制方式有本地遥控控制、手操器控制以及标准4～20mA电流信号控制。3种控制方式可根据需要由控制者切换，切换方式简单可靠。

    （3）位置和行程检测

    采样位置传感器上的电压信号，获得执行机构当前位置，与给定位置进行比较，根据设定的死区范围，修改速度参数以及运行标志位。

    （4）发送数据将命令及参数进行串行发送。

    （5）显示及故障处理

    每个分支的循环中采样位置反馈信号与上次采样值比较，其差值转化为脉冲数驱动指针旋转，实时跟随阀位，直到电机停止，指针便指示当前位置，掉电后依然能够保持，旋转方向由差值的符号决定。当检测到故障信号时，系统停止运行。

    4.2 DSP主程序设计

    DSP主要负责按照控制指令驱动电机工作，且实时检测电源和电机的工作状态，调节控制指令并判断是否出现故障。

    （1）电源与电机检测

    DSP 通过其A/D采样通道检测IPM电压、电流、电机转子位置和转矩，采样时连续采样4次后求平均值，以此滤除部分干扰。电机转速的检测由DSP的正交编码电路实现，通过在一段时间内记录编码器输出脉冲的上升沿个数，换算出电机的转速。缺相检测仅需DSP检测接入其I/O口的检测电路高低电平，来判断缺相情况。温度检测由DSP直接读取温度传感器的数字信号，再换算成温度值。

    （2）故障判断

    DSP通过检测电源和电机的各工作参数，依据预先设定的参数上限或下限，判断当前阀门电动执行机构是否出现故障，以及故障的类型，并生成相应的状态指令，以发送到主控制器进行处理。

    （3）数据发送

    DSP完成故障判断后，将故障判断结果的状态指令发送到主控制器，由主控制器进行显示并采取相应动作。

    5 结语

    阀门电动执行机构的检测模块在系统的硬件和软件设计上充分考虑了工业现场的实际环境，采取了完善的抗干扰措施和故障保护措施，大大地提高了系统的可靠性，使系统能适用于各种工业现场的环境。