智能化阀门电动执行器调速装置

1、 图4 蓄电池电压/时间曲线蓄电池进行温度测试, 其电解液温度在蓄电池要求的标准以内, 同时对充电完成后的蓄电池电解液密度测试, 完全达到有关要求(1. 27g/cm 3左右 , 蓄电池使用也表明, 该蓄电池得到了完好的充电, 因此该特性的充电机满足该蓄电池的充电要求。本充电机仅满足24V 、一定容量蓄电池的充电要求, 利用本控制电路的技术, 可以开发出一系列满足各种容量牵引式蓄电池充电要求的IU Ia 智能充电机。参考文献1 K iehne H. A et al. Batter ies Fundamentals and T heory,Running T echniques OutlookM

2、 .19892 康华光. 电子技术基础(上, 下 M .北京:高等教育出版社, 19853 黄俊. 半导体变流技术M . 北京:机械工业出版社,19874 何立民. M CS -51系列单片机应用系统设计、系统配制与接口技术M .北京:北京航空航天大学出版社, 19935 孙传友. 测控系统原理与设计M .北京:北京航空航天大学出版社, 2002, 9智能化阀门电动执行器调速装置大连职业技术学院信息技术系(116035 李戈文大连理工大学机械工程学院(116023 孙 晶 许鸣宇摘 要 智能化阀门电机调速装置是阀门电动执行装置中很重要的组成部分, 可以根据控制要求, 在改变电机电压的同时改变阀

3、门开启速度, 使执行机构运行平稳、可靠, 它是实现阀门调节功能的关键。该装置以单片机为核心, 具有无触点控制、实时参数显示、故障诊断、失效保护、智能化等多种功能。关键词 阀门 执行器 调速 导通角 控制角 可控硅1 概述电动执行器是电动单元组合仪表中的执行单元, 广泛应用于冶金、电力、石油、化工等部门, 是一种数量大、应用广泛的部件。它由控制电路和执行机构两个在电路上完全独立的部分组成, 接收来自调节器的电控信号, 将它线性的转换成机械转角或直线位移, 用来操纵风门、挡板、阀门等调节机构, 实现自动控制, 减轻运行人员的体力劳动强度。阀门电动执行器既是一种电动阀门的部件, 又是工业控制自动化系

4、统中的一个相当重要的基础装置。本文是在阀门电动执行器的基础上, 对它实现调速功能, 通过微处理器接收开、停及速度信号, 完成对控制阀门开启的电机进行控制, 从而达到阀门的调速需要。在设定的时间范围内, 使电机软启动、软停止, 并且可按照需要控制阀门以一定的速度开、关, 这样就能够使大功率执行机构平稳启动停止, 减少冲击, 减弱制动的磨损与冲击, 提高设备的可靠性及使用寿命。2 总体方案的设计根据国际阀门电动装置以及控制器的发展趋势, 结合国内现有产品的现状和技术水平, 以单片机为核心, 利用双向可控硅无触点控制, 开发出了实用的、符合我国国情的智能化阀门电动调速装置控制器, 用来控制多回转阀门

5、。图1所示为整个系统的 总体框图。图1 系统总体框图智能化阀门调速装置控制器系统主要有以下几部分组成:(1 中央处理单元智能控制器系统的主体, 其主要功能为:提供人机界面, 对操作者的操作作出反应, 控制阀门的开、5电子技术62003年第7期计算机应用/关和停止; 实时对各路传感器信号进行采样, 取得阀门及电动机的某些工作参数。(2 启动特性设置电路利用89C51的I/O 口, 外接开关网络作为输入口, 用以作为启停调速特性选择, 系统预制不同的启停调速数据于EPROM 中, 89C51通过DPTR 移到相应的位置以便选择相应的特性。(3 电源同步信号检测电源同步信号检测电路由同步变压器、整流

6、电路及电平转换电路组成。在同一周期内将检测到两个同步信号, 该信号加到89C51的INT0口用以相同电源同步中断请求输入, INT0采用边缘触发方式工作。89C51的两个定时器都工作在定时器方式1, T0用以决定可控硅导通角的延时定时器, 其时间常数随起动过程而变化, T1用以作60b 脉冲间隔的延时定时器, 其时间常数固定不变。(4 可控硅驱动电路利用89C51的P1口作为A 、B 、C 三相双向可控硅T A 、T B 、T C 的触发脉冲输出口, 它们输出的脉冲信号经过驱动电路后驱动相应的可控硅。T A 、T B 、T C 接成三相三线调压电路。调压的大小由可控硅导通角所决定, 而可控硅的

7、导通角与它的控制角有关, 控制角越是小, 输出电压越是大。由于主电路中没有中线, 因此每相的电路与另外一相构成回路, 因而在同一时刻要求至少要有两个可控硅同时导通, 触发脉冲输出每次必须同时发出两个有效脉冲去触发相应的可控硅。而且为了保证可控硅的可靠导通, 必须采取大于60b 的宽脉冲。(5 保护电路实时采集电动机的工作电流, 传感器产生的信号经信号处理电路处理后送往中央处理单元, 作为中央处理单元判断缺相、过载等工况的依据, 可靠地保护电动机。3 系统硬件电路设计3. 1 系统硬件组成简介图2所示为系统硬件组成示意框图。3. 2 主控制电路的设计(1 过零检测电路它需要将交流高压过零信号同步

8、采集下来, 送给单片机, 作为单片机定时器的触发标准, 这一步是以后工作能够顺利开展的关键。开始时, 参考一些典型的电路, 采用光耦与大功率电阻采集高压信号, 电阻降压, 光耦过零触发, 但图2 系统硬件组成框图是效果并不理想。原因主要在于光耦开关时间上的延迟, 虽然是毫秒级, 但是也直接影响到过零信号的脉冲宽度。经过反复试验, 决定采用如图3所示的 电路。图3 过零检测电路利用同步变压器将高压变到低压交流12V, 运算放大器再将低压交流信号转化为单片机可以接收的0、1脉冲信号, 此脉冲信号与高压交流信号同步, 虽然也存在误差, 但是可以接受。此脉冲信号再经过两个反向器成为两个互补的脉冲信号,

9、 为单片机中断响应作准备。交流信号与脉冲信号时序如图4 所示。图4 交流信号与脉冲信号时序图(2 识别相序电路由软启动的起动过程决定, 触发信号是根据三相交流电的相序按照一定的顺序进行触发, 如先A 相, 再C 相、B 相, 这就要求识别相序。本文采用与检零电路相似的电路, 再通过单片机软件上的实现进行辨相。电路中同步变压器与检零电路中的同步变压器分别接两相电, 当检测到过零信号, 单片机读P1口, 为/00则此相是B, 为/10则此相是C(首先定计算机应用5电子技术62003年第7期ww cn被检零相为A 相 , 触发顺序也就因此而定。为先A 相, 后C 相, 再B 相。(3 前向通道的设计

10、单片机应用系统的前向通道是体现被测对象与系统相互联系的信号输入通道, 是原始参数输入通道。它将传感器的信号变换处理并以一定方式传送至单片机, 是被测对象与单片机之间的桥梁。它主要由信号拾取电路、信号调节电路和信号变换电路等几部分组成。本文主要是电动机的电流信号拾取, 检测电机是否过流、过载及缺相。4 系统软件设计4. 1 总体设计系统软件包括显示、监控、电机起停、调速等程序。系统的运行主要通过键盘扫描, 根据不同的响应完成不同的功能, 系统上电或复位后, 首先通过X25043设置看门狗程序循环时间, 再次完成初始化程序。P1口初始化:P1. 0、P1. 1、P1. 2置为/10使可控硅关断,

11、电动机停转; P1. 3、P1. 4及P1. 7需要接收信号, 也同时被置/10; P1. 5及P1. 6全部置/00, 屏蔽掉过零检测信号。各标志位, 应要求相应置位。键盘功能块包括:正常启动程序, 正常减速程序, 检测保护程序, 键盘、显示程序, 时间设定, 开关阀程序, 低、中速运行程序等。4. 2 正常启动程序这是系统的主控制模块, 根据设定时间, 启动电机, 阀门逐渐开合。三相负载为纯电阻负载时, 最小导通角为30b , 但是电机负载比较复杂, 交流电压过零, 可控硅并未截止。经过反复实验, 在确保电机正常运转的情况下, 可控硅最大控制角为110b , 最小控制角为30b 。对T0、

12、T 1赋值方法:1周期对应360b 对应20ms, 则1b 对应0. 05555556ms; 采用12MH z 晶振, 计数一次时间为1L s; 定时器T 0、T1工作在方式1(16位计数器 , 最大计数为65. 536ms; 表1所列是T0初值与控制角对应关系。表1控制角110b 90b 75b 60b 45b 30b T 0初值E820EC78EFB9F2FAF63CF97D如果启动时间定为10s, 要经过500(10s/20ms 个周期, 从110b 20b ,110-20=90b 500/90=0. 18b则一周期减少0. 18b0. 180. 0555556=0. 01ms=10L

13、s(AH 也就是说过零检测后每周期要减10L s 。给赋值时T0值每周期需要在原有基础上增加AH, T0起始角选定为110(E820 , 关断角为30(F97D , 如果每半个周期T0值加1, 这样算来时间为:F97D-E820=115D(4445 4445(180/360 20=44. 450s最长时间为45s; 如果每半个周期为T0值加2, 时间大约25s; 如果每半个周期T 0值加3, 时间大约15s; 对T1的处理, 设触发时间为60b 时:2060/360=3. 3333333ms 65536-F2FA=3. 334msT1的初值为F2FA 。每次响应T1中断时重新对T1赋值。程序框

14、图如图5图8 所示。图5 正常启动程序图6 外部中断0 程序图7 T 0中断程序 图8 T 1中断程序5电子技术62003年第7期计算机应用/(1 判断电机状态是否正在运行, 如果阀门正在开或关, 启动按钮被屏蔽;(2 对初始状态进行设置, 主要是针对T1与T 0, 赋予T 160b 触发时间, T0为可控硅触发时间, R1、R2存在控制角初值时间, R3、R4为终值时间, R5是增加速率, 起始控制角110b , 最小控制角30b ; (3 检测过零信号, 检测到的同时起动T 0、判断相序。并置P1. 5与清P1. 6, 开外部中断0(INT0设置为边沿触发方式 ;(4 等待T0中断, 中断

15、响应后, 清P1. 0, A 相可控硅导通, 置P1. 1, 关断B 相可控硅, 同时开T 1。然后判断是否启动到位, 未到位, 重新给T0赋值(加速就将T0值与R5相加, 赋予T0; 减速就将T0值与R5相减, 赋予T0 ;(5等待T1中断, 中断响应后, 清P1. 2, 使C 相可控硅导通, 置P1. 0, 关断A 相可控硅, 再重新将60b 触发时间赋予T0, 标志位14H 取反;(6 等待下一个周期的外部中断0, 依次循环, 电机逐渐由慢到快启动到达全速;(7 加速到位, 置位P1. 0、P1. 1、P1. 2。另外, 当需要关一相可控硅, 触发另一相可控硅的时候, 延时10L s 关

16、断, 以保证换接时电流延续。4. 2 正常减速程序与正常启动程序相类似, 控制初值及终值需要相应地进行改变, 起始导通角30b , 最大导通角110b , 每半周期T 0值要减去R5再赋予T0, 相关的一些标志位也要发生变化, 减速到位后, P1. 0、P1. 1、P1. 2清零。4. 3 时间设定程序设定启动和停止时间。上电初始化时, 自动将启动时间定为25s, 时间值存在EPROM 中, 根据不同的需要, 通过加、减键调整设置时间, 分别为:5s 、10s 、15s 、25s 、45s 。如果启动时间设定为15s, 阀门停止时间可以重新设定, 可为四个中的任意一个。启动、停止时间可以不相同

17、。本文的启动程序中, 设定为每半个周期改变一次T 0值, 最大启动时间为50s 左右, 如果每一个周期改变一次, 时间就会增大一倍。4. 4 中、低速启停程序控制交流电压的导通角保持一定, 电机电压从导通角30b 逐渐增大到某一定值, 并且保持不变, 阀门就会以一定的速度开关。本文电机速度定为中、低速两档。低速的最终控制角为90b ; 中速控制角为70b 。电机启动过程与正常启动完全相同, 只是终值发生改变。低速运行时显示为3s, 中速时显示为10s 。电机停转时, CPU 始终在响应中断, 所以采用T1中断使阀门停止。5 调节阀对电机控制的要求真正意义上的调节阀是要能够实现速度的完全控制,

18、所谓完全控制就是指不论电机是何位置, 加速或减速、正转或反转、启动或停止, 只要接收到控制信号, 包括:位置、流量、开度或者是应急信号, 系统都会作出相应反应, 如图9 所示。图9 调节阀速度控制曲线图9中正半周表示电机正转, 负半周表示电机反转; 电机从零时刻起逐渐加速到a, ab 段阀门平稳开启, cd 段系统接收控制信号速度下降, 到d 后, 电机软停止直至反向启动。g h 段电机又反转, 阀门重新开始运行到预定位置。本文所做工作是为了进一步开发研制调节阀门控制器作准备, 从理论上完全可以实现。例如:未进行调速之前, 电机的反转是停止延时后再反转启动, 因为停止后, 电压关断, 但电流并未到零, 可控硅处于导通状态, 立即反转, 会使可控硅瞬时电流很大, 如果保护不得力甚至会烧毁可控硅。但在本文中完全可以实现不延时反转。因为电机能够软停止, 电压是逐渐减小, 这样电压到零, 电感电流即使存在, 延迟部分也会很小, 并且反向后, 电路会重新检测过零信号, 重新触发可控硅, 会从软件上让过几个周期, 这样就可以实现实时反转。参考文献1 刘欣. 智能化阀门电