摘 要：介紹了電動閥綜合自動測控系統的軟硬件組成、主要功能及其技術特點。該系統實現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，并通過傳感器實現步進電機自動閉環和開環等調控模式。試驗表明，該系統滿足實際需要，具有很好的可靠性和實時性。
關鍵詞：電動閥；信息融合；傳感器；步進電機；可靠性
在現代工業技術領域中，調節閥的應用越來越廣。為了檢測調節閥在特殊工作環境下的機械及電氣特性等性能，需要有一套完整的閥門測試與控制系統。為達到系統性能指標要求，需進行諸如振動、沖擊、熱平衡等試驗，以精確地控制閥門的開度。本文針對這一問題，研究和設計了電動閥綜合測控儀，通過檢測閥門位置及管道中的介質流速，利用步進電機驅動閥門碟片轉動實現位置控制。
1 控制方式選擇
由于本設計中電動閥采用‘T’字型的三通閥，該閥的機械特性具有非線性特征，導致步進電動機轉動角度與閥碟片轉動角度存在偏差。根據閥門機械圖理論計算，當步進電動機轉動152°時，碟片達到最大理論開度值72.33°。利用步進電動機開環控制進行現場試驗，以不同頻率和不同轉動角度轉動相應的次數，通過位置傳感器得出碟片實際位置，具體試驗數據如表1所示。
分析表1中數據，當步進電動機與驅動器長期供電，電機頻率較高時，減速機和步進電動機會產生慣性現象，閥門轉動位置產生了累計偏差。為此，利用把位置傳感器加入到控制系統中的閉環控制，經現場試驗，得到試驗數據如表2所示。
對比表1和表2試驗數據，閉環控制較開環控制閥門碟片可更精確地轉動到預定位置。為使用方便，系統可自行選擇開環和閉環兩種控制方式，以滿足不同要求。
2 控制器總體結構
電動閥綜合測控儀主要完成對現場各傳感器信號的采集、閥門狀態檢測，并利用步進電機驅動進行閥門控制，同時具有人機操作的鍵盤、顯示器等。控制器可以脫機單獨工作，也可方便實現與上位PC機的串行通信，完成對系統工作狀態監控，實現歷史數據的存儲和整體系統的管理。
根據系統設計要求，整個系統功能可以分為系統自檢功能模塊、閥門控制功能模塊、數據采集調理模塊、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確到位，電源電路、閥門位置檢測、步進電動機控制驅動是設計關鍵。系統基本組成如圖1所示。
系統主要由微處理器、隔離驅動控制接口、步進電機驅動、人機接口及通信接口等組成。圖1中的i表示系統需進行檢測與控制的閥門個數。通過接受鍵盤或上位PC機的運動參數，按照規定的頻率和角度及轉動方向控制步進電機準確運動。微處理器選用基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS的ATmega128。AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器，寄存器直接與算術邏輯單元相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器，提高了代碼效率，具有比普通微處理器高10 倍的數據吞吐率[1]。信號采集調理完成對位置傳感器、介質流速傳感器及電壓傳感器的信號采集及調理。通信接口實現與上位PC機的信息交換與對驅動器在線監控，可分別實現脫機和聯機工作。
3 功能模塊設計
3.1電源模塊
根據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。傳統的線性電源效率低、體積大，同時考慮晶體管和MOS管開關特性、過壓過流的保護，控制回路的穩定性，因此采用體積小、重量輕，效率高達90%以上的開關電源。系統采用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型可調式精密并聯穩壓器作為輔助芯片組成了系統電源部分。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電壓源作為檢測基準，并采用AD977A的16位A/D，完成對位置傳感器、介質流速傳感器及電壓、電流傳感器的信號采集與轉換。并將信號送入微處理器進行處理并顯示，或聯機狀態送入PC機進行實時顯示與監測。為保證采集信號可靠性，采用前端RC濾波。同時在信號轉換精確度上，重點考慮了以下3個問題：(1)是參考電源的選取：AD977A雖然有內置的參考電源，但由于其溫度系數較大，影響數據轉換精度，采用外加溫度系數小的參考電源，減小溫度的影響，提高了信號轉換準確度；(2)AD977A的偏置和增益的調整：AD977A需要調節零點偏置和增益誤差，通過典型采樣點的轉換結果，調整電路中電位器的阻值，實現準確轉換；(3)共地：將A/D轉換電路數字地獨立，并與其他電路數字地隔離，抑制了外界干擾。從而準確得到閥門的當前位置，并實時顯示設定值和實際轉動值。 數據采集如圖2所示。
3.3 步進電動機驅動模塊
步進電機的控制和驅動是閥門控制模塊系統的核心部分。在脫機情況下單獨設定參數，或通過接收PC機設置的轉動頻率和轉動角度信號。驅動器需要的控制脈沖，由微處理器經步進電機隔離驅動接口后直接送入步進電機驅動器，驅動器按照給定驅動頻率和步數驅動步進電機運動。步進電動機細分驅動器采用PWM控制方式，使電動機繞組電流跟隨給定變化，減小超調現象發生，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電動機驅動器的脈沖、方向、脫機。在主控芯片未對步進電動機發出轉動指令時，由繼電器控制系統切斷步進電動機及其驅動器電源。為了監控系統的工作狀態，在電源的通斷上增加了自檢功能，實現步進電動機及其驅動器部分電源是否正常工作的判斷。
4 軟件設計
根據電動閥控制器的總體框架結構，軟件設計主要包括閥門碟片位置采集模塊、預到達位置和運行速度設置及處理模塊、步進電動機驅動控制模塊、串行通信模塊、鍵盤及顯示模塊、軟件抗干擾模塊等。
4.1步進電動機驅動控制程序
根據閥門碟片的當前位置計算出碟片旋轉的速度，當前位置和速度分別與設定值作比較，計算脈沖間隔時間，驅動步進電動機轉動[4]。程序流程圖如圖4所示。
4.2 軟件抗干擾
系統中有大量的數據，為避免外界干擾，造成錯誤的數據輸出，導致系統發生誤動作或產生故障，主控芯片發出一個正確數據后，采取對步進電機方向控制信號、脫機信號及繼電器通斷信號瞬間多次讀入功能，直到認為準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，在系統設計和調試過程中重點考慮了抗干擾問題。通過現場調試和系統測試，證明利用上述方法進行系統設計，操作簡單，實時性強，運行可靠。
參考文獻
[1] 陳冬云，杜敬倉，任柯燕.ATmega128單片機原理與開發指導 [M].北京:機械工業出版社，2006.
[2] 沙占友.單片開關電源最新應用技術[M].北京:機械工業出版社，2005.
[3] 徐志躍.電機伺服控制系統中的開關電源設計[J].計算機測量與控制，2007，15(6)：777-779.
[4] 劉寶廷，程樹康.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社，2006.