1 概述
在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程的控制中，調(diào)節(jié)閥起著十分重要的作用，它是自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。目前現(xiàn)有的電動調(diào)節(jié)閥控制手段落后，機械傳動機構(gòu)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低。由此可見采用傳統(tǒng)的電動調(diào)節(jié)閥建立的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較差。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線等技術(shù)在工業(yè)過程中的應(yīng)用，這種電動調(diào)節(jié)閥已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。本文設(shè)計的智能電動調(diào)節(jié)閥。采用機電一體化技術(shù)，將閥門、伺服電機和控制器合為一體，利用異步電動機直接驅(qū)動閥門的開與關(guān)。通過內(nèi)置變頻器，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)閥門的動作速度、精確定位、柔性關(guān)斷以及電機轉(zhuǎn)矩等控制。該電動調(diào)節(jié)閥節(jié)省了用于控制電機正反轉(zhuǎn)的接觸器、可控硅換向開關(guān)模件、機械傳動裝置、復(fù)雜昂貴的控制柜和配電柜，具有動作快，保護(hù)較完善，以及便于和計算機聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。實際運行表明，該電動調(diào)節(jié)閥工作穩(wěn)定，性能可靠。
2 硬件設(shè)計及工作原理
2.1 結(jié)構(gòu)
智能電動調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)原理如圖1所示。該控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動部分。控制部分主要由單片機、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動部分主要包括三相伺服電機和位置傳感器。
2.2 工作原理
系統(tǒng)工作時，霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器將檢測到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發(fā)生器，產(chǎn)生的PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進(jìn)行全橋整流得到。
2.3 各功能元件的選型與設(shè)計
（1）單片機
選用INTEL公司生產(chǎn)的8031單片機。該機主要通過并行8255口擔(dān)負(fù)控制系統(tǒng)的信號處理，接收系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關(guān)閉及閥門開度等設(shè)定信號，并提供三相PWM波發(fā)生器SA8282所需要的控制信號，處理IPM發(fā)出的故障信號和報警信號，處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓和位置等檢測信號，提供顯示電動調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)信號，執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng)反饋信息。
（2）三相PWM波發(fā)生器
PWM波的產(chǎn)生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法電路復(fù)雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能。數(shù)字法是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，并存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計算產(chǎn)生PWM波。這種方法占用的內(nèi)存較大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進(jìn)行整個系統(tǒng)的檢測、保護(hù)和控制等功能，選用MITEI一公司生產(chǎn)的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口，芯片內(nèi)部包含了波形、頻率和幅值等控制信息。
（3）智能功率模塊IPM
為了滿足電動調(diào)節(jié)閥體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該調(diào)節(jié)閥主要適用功率小于5.5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為0.75。經(jīng)計算可知，選用日本產(chǎn)的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關(guān)、驅(qū)動電路和制動電路于一體，并內(nèi)置過電流、短路、欠電壓和過熱保護(hù)以及報警輸出，是一種高性能的功率開關(guān)器件。
（4）位置檢測電路
位置檢測電路的功能是提供準(zhǔn)確的位置信號。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動調(diào)節(jié)閥中多采用繞線電位器、差動變壓器和導(dǎo)電塑料電位器等。繞線電位器因壽命短而被淘汰，差動變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制，導(dǎo)電塑料電位器目前較為流行，但因其有觸點式結(jié)構(gòu)， 使用壽命短，精度低。因此采用無觸點的脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器，具有精度高，無線性區(qū)限制，穩(wěn)定性高，無溫度限制等特點。
（5）電壓和電流檢測
檢測電壓和電流主要是為了計算電機的力矩， 以及變頻器輸出回路短路、斷相保護(hù)和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為0~50Hz，采用常規(guī)的電流和電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器IPM 輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路（圖2）。
（6）通訊接口
為了實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制，選用MAX232作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232內(nèi)部有兩個完全相同的電平轉(zhuǎn)換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平， 把其他微機送來的RS232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平給8031，實現(xiàn)單片機與其他微機間的通訊。
（7）時鐘電路
時鐘電路主要用來提供采樣和控制周期的速度計算時所需要的時間以及日歷。時鐘電路選用DS12887。另外，DS12887內(nèi)部還有114字節(jié)的用戶非易失性RAM，可用來存入需長期保存數(shù)據(jù)。
（8）液晶顯示單元
為了實現(xiàn)人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數(shù)等信號進(jìn)行設(shè)置或調(diào)試。并采用文字和圖形相結(jié)合的方式，顯示直觀，清晰。
（9）程序出格自恢復(fù)電路
為了保證在強干擾下程序出格時。系統(tǒng)能夠自動地恢復(fù)正常，選用MAX705組成程序出格自恢復(fù)電路，監(jiān)視程序運行（圖3）。該電路由MAX705和與非門組成。當(dāng)程序出格時，WDO由高變低，由于微分電路的作用， 由與非門輸入引腳2變?yōu)楦唠娖?，引腳2電平的這種變化使與非門輸出一個正脈沖，單片機產(chǎn)生一次復(fù)位，復(fù)位結(jié)束后，又由程序通過P1.0口向MAX705的WDI引腳發(fā)正脈沖，使WDO引腳回到高電平。程序出格自恢復(fù)電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。
3 閥位及速度控制
閥位及速度控制（圖4）采用雙環(huán)控制方案，其中內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)主要將當(dāng)前速度與速度給定發(fā)生器送來的設(shè)定速度相比較，通過速度調(diào)節(jié)器改變PWM波發(fā)生器載波頻率， 實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。位置環(huán)主要根據(jù)當(dāng)前位置與設(shè)定位置的差值，通過速度給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán)提供速度的設(shè)定值。由于電動調(diào)節(jié)閥在運行過程中存在加速、勻速和減速等階段，各階段的時間長短、加速度的大小及何位置開始勻速或減速，均與給定位置、當(dāng)前位置以及運行速度有關(guān)。速度給定發(fā)生器，通過比較實際閥位與給定閥位， 當(dāng)二者不相等時，以恒定加速度加速， 減速點根據(jù)當(dāng)前速度、閥位值和閥位給定值的大小計算得來。
圖5為電動調(diào)節(jié)閥的典型運行速度圖，它由若干段變化速率不同的折線組成。將曲線上速率開始發(fā)生改變的那一點稱為起始段點，相應(yīng)的時間稱為段起始時間t（i） （i=0，1，2，……），相應(yīng)的速度稱為段起始速度（i）（i=0，1，2，……）。
設(shè)第i段速度的變化速率用k 表示，則有：
式中：Δv-- 兩段點之間的速度變化值，m/s
Δv=vi+1-vi
Δt--兩段之間的時間，S
Δt=ti+1-ti
顯然， 當(dāng)ki=0時為恒速值，ki>0時為升速段，ki<0時為減速段。任意時刻的速度給定值為
vi=v（i-1）+ki×Ts
式中Ts--采樣周期，Hz。
變化速率ki的取值應(yīng)根據(jù)給定位置、當(dāng)前位置以及運行速度的大小確定。
4 關(guān)鍵技術(shù)
該電動調(diào)節(jié)閥采用了最新的變頻調(diào)速技術(shù)，電機驅(qū)動功率小于5.5kW。用戶可根據(jù)需要設(shè)定力矩特性，并可根據(jù)控制的閥設(shè)定速度。速度分多轉(zhuǎn)式、直行程和角行程3種方式。控制系統(tǒng)是由閥位給定和閥位反饋信號構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運行方式和速度而定，并具有自動過流保護(hù)、過載超壓、欠壓、過熱、缺相和堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。
該電動調(diào)節(jié)閥解決了幾個關(guān)鍵性技術(shù)問題。
（1）閥門柔性開關(guān)
柔性開關(guān)主要是保證閥門關(guān)閉或全開時不卡住與損傷。執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部的微處理器根據(jù)測定的變頻器輸出電壓和電流，通過精確計算，得出其輸出力矩。一旦輸出力矩達(dá)到或大于設(shè)定的力矩， 自動降低速度，以避免閥門內(nèi)部過度的撞擊，從而達(dá)到最優(yōu)關(guān)閉，實現(xiàn)過力矩保護(hù)。
（2）閥位的極限位置判斷
閥位的極限位置是指全開和全關(guān)位置。在傳統(tǒng)電動調(diào)節(jié)閥中，該位置的檢測是通過機械式限位開關(guān)獲得的。機械式限位開關(guān)精度低，在運行中易松動，可靠性差。智能電動調(diào)節(jié)閥的極限位置通過檢測位置信號的增量獲得。其原理是，單片機將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號相比較，如果未發(fā)生變化或變化較小，即認(rèn)為已達(dá)到極限位置，立即切斷異步電機的供電電源，保證閥門的安全關(guān)閉或全開。該執(zhí)行機構(gòu)無機械式限位開關(guān)，無需在調(diào)試時對其進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。
（3）電機保護(hù)
為了防止電機因過熱而燒毀，單片機通過溫度傳感器連續(xù)檢測電機的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機溫度過高， 自動切斷供電電源。溫度傳感器置于電機內(nèi)部。
（4）準(zhǔn)確定位
傳統(tǒng)的電動閥門在異步電機通電后，會很快達(dá)到其額定動作速度，當(dāng)接近停止位置時，電機斷電后，由于機械慣性，其閥不可能立即停下來， 會出現(xiàn)不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機反向轉(zhuǎn)動來校正。智能電動調(diào)節(jié)閥是根據(jù)當(dāng)前位置與給定位置的差值， 以及運行速度的大小超前確定減速點的位置及減速段變化速率ki， 使閥門在較低的速度下實現(xiàn)精確的微調(diào)和定位，從而將超程降到最低。
（5）模擬信號的隔離
由于變頻器的直流電壓以及輸出的三相電壓之間的地不一致，因此存在著較高的共模電壓，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須將它們彼此相互隔離。因此采用LM358和4N25組成了隔離線性放大電路（圖6），±15V和±12V為兩組獨立的正負(fù)電源。若運放A的反相端電位由于擾動而正向偏離虛地，則運放A的輸出端的電位將降低，因而光電耦合器的發(fā)光強度將增強，則使其集射極電壓減小，最后使運放A的反相端的電位降低，回到正常狀態(tài)。若A的反相端電位負(fù)向偏離虛地，也可以重回到正常狀態(tài)。從而增強了系統(tǒng)的抗干擾性。
5 結(jié)語
智能電動調(diào)節(jié)閥集微機技術(shù)和執(zhí)行器技術(shù)于一體，是一種新型的終端控制單元，其電機是通過內(nèi)部集成的一體化變頻器來控制。因此， 同一臺智能電動調(diào)節(jié)閥可以在一定范圍內(nèi)具有不同的運行速度和關(guān)斷力矩。在電動調(diào)節(jié)閥中采用液晶顯示技術(shù)，它利用內(nèi)置的液晶顯示板，不僅可以顯示閥門的開、關(guān)狀態(tài)和正常運行時閥門的開度，還可以通過菜單選擇進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能顯示出故障信息。總之，智能電動調(diào)節(jié)閥集測量、決斷、執(zhí)行3種功能于一體，順應(yīng)了電動調(diào)節(jié)閥的發(fā)展趨勢，它的研制成功給電動調(diào)節(jié)閥的研究開發(fā)提供了新的思路。且該電動調(diào)節(jié)閥具有通訊方便、控制策略先進(jìn)、可靠性高等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
