CN201667636U - 一种智能电动执行机构控制单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能电动执行机构控制器。主控模块(11)与I/O接口及辅控模块(12)相连，I/O接口及辅控模块(12)的输入端与位置检测模块(18)相连，并将位置信号上传给主控模块(11)；主控模块(11)还分别与监控***(16)、调试终端(17)相连；主控模块(11)还与功率控制模块(13)相连，进而驱动所述执行机构三相异步电机(15)动作，所述I/O接口及辅控模块(12)与液晶屏及LED信号指示灯(14)相连，显示执行机构各种运行状态及故障信息。本实用新型可以很好地满足现场总线、工业以太网等对智能仪表性能要求较高的新兴控制网络技术的要求，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种智能电动执行机构控制单元

技术领域

本实用新型涉及一种智能电动执行机构控制单元，特别涉及一种在嵌入式ARM9工控主板平台上开发的智能电动执行机构控制单元。

背景技术

电动执行机构是工业生产自动化调节***的重要组成部分，以电能为动力，接受调节器来的标准信号(模拟量或数字量)，通过将此变成相应的机械位移(角行程、直行程或多回转)来自动改变操作变量(阀门，调节阀、风门、蝶阀，挡板开度等)，以达到对被调参数(温度、压力、流量、液位等)进行自动调节的目的，使生产过程按照预定设置和要求进行。

传统电动执行机构(如DKJ型角行程电动执行机构)采用机械控制手段，存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。

九十年代以后，随着微电子、计算机、通信网络技术和机电一体化技术的迅速发展，国际上出现了智能型电动执行机构。它是一种新型带有微处理器的智能终端执行元件。中央处理单元CPU(Central Processing Unit，简称微处理器(Microprocessor))的嵌入，增强了电动执行机构的复杂运算和信息存储能力，从而大大提高了电动执行机构的控制精度及故障诊断能力。

智能型电动执行机构一般由控制单元和执行机构即带动阀门动作的电机组成。控制单元不仅要采集执行机构有关参数和状态信息与上层控制***进行参数信息传递，而且要接受上层控制***的指令，控制执行机构电机的起停、正转和反转。由于微处理器的种类很多，按照字节长短就有4位、8位、16位、32位四种。如Toshiba公司的TMP47×××系列属于4位单片机；Intel公司的8031/8051/8751和ATMEL公司的部分AVR单片机属于8位单片机；TI公司的MSP430系列属于16位单片机；ARM公司的ARM9处理器属于32位单片机。目前，32位单片机是单片机的顶级产品，具有级高的运算速度。现有的智能型电动执行机构控制单元还未见有采用32位单片机的。如，1990年12公开发明专利(CN 1047746A)智能电动执行机构采用的是Intel公司的8位单片机8031；2000年4月5日授权公告的实用新型专利(CN 2372709Y)一种智能电动执行器采用的是8位单片机PIC16C56；2007年12月授权公告的实用新型专利(CN200997054Y)一种电动执行机构的智能控制装置采用的是16位单片机MSP430F147；2008年3月申请的实用新型专利(CN201177763Y)新型智能电动执行机构中采用了8位单片机“上述嵌入式微处理器的型号是ATmega64-16AT或ATmega128”。

发明内容

本实用新型发明的目的在于克服现有技术的不足，发明一种性能和可靠性更高的智能电动执行机构控制单元。

为实现本实用新型发明目的，采取的技术方案是这样的：

一种智能电动执行机构控制器，包括主控模块11、I/O接口及辅控模块12、功率控制模块13，其特征在于：

所述主控模块11与I/O接口及辅控模块12相连，所述I/O接口及辅控模块12的输入端与位置检测模块18相连，并将位置信号上传给主控模块11；

所述主控模块11还分别与监控***16、调试终端17相连；

所述主控模块11还与功率控制模块13相连，进而驱动所述执行机构三相异步电机15动作，

所述I/O接口及辅控模块12与液晶屏及LED信号指示灯14相连，显示执行机构各种运行状态及故障信息。

功率控制模块13由两个交流接触器、两个控制交流接触器的中间继电器、三相热保护继电器、三个可控硅、三个电流互感器成。在两个交流接触器之间加装机械互锁模块。

IO接口和辅控模块的CPU采用16位单片机MSP430系列。通过IO接口和辅控模块内部的电源管理电路实现正常工作电源失电的情况下对辅助CPU供电方式的切换，并提供充电电路，在有正常工作电源的情况下对IO接口和辅控模块内部的锂电池进行充电，充电状态信号及充电失败信号都要发送给主控模块。

采用非接触式霍尔传感器实现执行机构位置检测，末端位置存在掉电RAM中，实时位置也不断写入掉电RAM中，确保执行机构掉电时位置不丢失，且此时由后备锂电池供电，就地手摇式仍能进行阀位的检测和显示。

本实用新型优点在于：

1)采用三个模块三个电路板的结构，功能定位清晰、结构紧凑、便于安装和调试；

2)主控模块CPU采用32位单片机，极大提高了执行机构的性能，可以很好地满足现场总线、工业以太网等对智能仪表性能要求较高的新兴控制网络技术的要求；

3)通常三相电机的运行方向是通过改变三相电机的相序来实现的，具体实现是采用两个交流接触器或5个主可控硅实现，如果采用交流接触器控制电机，执行机构工作过程中接触器会频繁合断，接触器的触点之间产生大的电火花，影响其使用寿命，如果完全使用可控硅来实现相序调整，控制逻辑较复杂。本实用新型采用两个三相交流接触器，在接触器触点上并联合适的压敏电阻，有效减少了拉弧，提高了交流接触器的使用寿命。另外在线路中由于交流接触器不能频繁合断及产生窄脉冲，用三个可控硅来实现阀位的细调，交流接触器主要用来实现电机换向功能。在软件互锁的基础上增加机械互锁模块大大提高了***的安全性和实用性；

4)MSP430系列是16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，IO接口和辅控模块采用它作为CPU，有效提高了该模块的性能；

5)执行机构位置检测采用非接触式霍尔传感器技术，提高了测量精度，延长了使用寿命；

6)通过实时检测电机3相电流，实现了执行机构输出力矩的电子测量，并完善了电机的保护性能。

附图说明

图1为智能电动执行机构控制单元结构框图；

图2为功率控制模块原理框图；

图3为IO接口及辅控模块原理框图；

图4为充3对磁极的磁环图；

图5为电机旋转时A、B两个霍尔器件的输出脉冲图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，结合优选实施例对本实用新型的技术方案进一步详细说明。

如图1所示，智能电动执行机构控制单元1主要由主控模块11、IO接口及辅控模块12、功率控制模块13组成。

所述主控模块11与I/O接口及辅控模块12相连，所述I/O接口及辅控模块12的输入端与位置检测模块18相连，并将位置信号上传给主控模块11；

所述主控模块11还分别与监控***16、调试终端17相连；

所述I/O接口及辅控模块12的输出端与执行机构三相异步电机15相连，驱动所述执行机构三相异步电机15动作。

主控模块11与I/O接口及辅控模块12相连，所述I/O接口及辅控模块12的输入端与位置检测模块18相连，并将采集信号上传给主控模块11；

所述主控模块11还分别与监控***16、调试终端17相连；

所述主控模块11还与功率控制模块13相连，进而驱动所述执行机构三相异步电机15动作。

所述I/O接口及辅控模块12与液晶屏及LCD信号指示灯14相连，显示执行各种运行及故障信息。

功率控制模块13驱动智能电动执行机构的执行机构三相异步电机15动作。主控模块11对外与监控***16及调试终端17相连，主控模块CPU采用ARM9302。I/O接口及辅控模块12采集位置检测模块18采集的阀门位置信号并按照控制策略发送给主控模块，并通过内部的液晶显示模块和状态显示电路完成液晶屏及LED信号指示灯14的控制。液晶屏显示及LCD信号指示灯14的控制是通过控制电路来实现的。

如图2所示，功率控制模块13由中间继电器控制电路311、第一中间继电器312、第二中间继电器313、第一交流接触器316、第二交流接触器317、热保护继电器318、可控硅控制电路321、第一可控硅322、第二可控硅323、第三可控硅324、三相电流互感器(电流互感器325、电流互感器326、电流互感器327)组成。所述中间继电器控制电路311的输入与所述I/O接口及辅控模块12的输出相连，中间继电器控制电路311的两路输出分别连接到第一中间继电器312和第二中间继电器313输入端，第一中间继电器312的输出与第一交流接触器316的输入相连，第二中间继电器313的输出与第二交流接触器317的输入相连，第一交流接触器316与第二交流接触器317的输出均与所述热保护继电器318的输入相连，所述热保护继电器318的输出分别与第一可控硅322、第二可控硅323、第三可控硅324的的输入端，可控硅输出端与异步电机相连去驱动电机。

所述可控硅控制电路321的输入端与所述I/O接口及辅控模块12的输出相连，可控硅控制电路321的输出端分别连接到第一可控硅322、第二可控硅323、第三可控硅324的门极控制端，三相电流互感器325、326、327分别串接在第一可控硅322、第二可控硅323、第三可控硅324的主回路上。

在交流接触器316和交流接触器317之间加装机械互锁模块。在交流接触器316和交流接触器317触点上并联压敏电阻。本实例中交流接触器316和317选用施耐德公司的交流接触器LC1-D18Q7C，三相热保护继电器318用于过流保护选用施耐德公司的热保护继电器LRD-08C，可控硅322、323、324选用ST公司的BTA40-800，电流互感器325、326、327选用德昌耀华的TA20(FL)-200。执行机构起动时，先触发接通交流接触器调整连接阀门的开或关，然后触发可控硅，实现阀位的细调；执行机构停止时，先断开可控硅，延时一会儿再断开交流接触器，此时流过交流接触器的电流为零，从而防止交流接触器出现拉弧现象。电流互感器325、326、327用于电机三相电流检测。

如图3所示，I/O接口及辅控模块12主要由辅助CPU 211、充电锂电池212、电源管理电路213、液晶显示模块214、状态显示电路215、电机转速脉冲及方向检测模块216、DI检测模块217、AI调理模块218、DO输出模块219、D/A转化模块220及AO输出模块221组成。辅助CPU选择MSP430F135芯片。所述电源管理电路213、液晶显示模块214、状态显示电路215、电机转速脉冲及方向检测模块216、DI检测模块217、AI调理模块218、DO输出模块219、D/A转化模块220均与辅助CPU 211相连，所述电源管理电路213与充电锂电池212相连，所述D/A转化模块220的输出与AO输出模块221的输入相连。

电源管理电路213主要完成在有无电源的情况下对辅助CPU 211供电方式的切换，并提供充电电路，在有电源的情况下对锂电池212进行充电。在执行机构掉电情况下，在就地手动操作时，由充电锂电池212对辅助CPU 211和电机转速脉冲及方向检测模块216供电，完成位置的实时检测；在正常工作时，辅助CPU 211实时检测阀门位置，并通过串口，送给主控模块11，此外来自主控模块11的状态参数、输出指令送给辅助CPU211，由辅助CPU211驱动液晶模块214。显示状态电路215由4个LED灯组成，分别表示全开、全关、远控、就地四种状态。AI调理电路主要将1路电机绕组热电阻信号、1路4～20mA信号、3路CT信号、1路锂电池温度传感器信号调理为AD转换器可接受的低于±10V的电压信号，并完成现场与本地的电气隔离。

如图4所示为1个充3对磁极的磁环，我们将此磁环安装于电机轴上，设计一块检测电路板，检测电路板上安装2个霍尔器件，电路板布置在正对磁环的位置，距离1～2mm。两个霍尔器件分布在圆周上，间隔30°，电机旋转带动磁环旋转时，两个霍尔器件输出脉冲信号相位差为90°，用此相位差判别电机转向。计算单位时间内霍尔器件A输出的脉冲个数(从0到1的跳变沿有效)可得出电机旋转速度，通过对霍尔器件A输出的脉冲个数的累计可计算出执行机构位置。霍尔器件选用日本旭化成公司生产的霍尔器件EW512。

图5为A、B两个霍尔器件的输出脉冲(A、B两个霍尔器件安装位置按顺时针方向，先A后B，间隔30°)。

Claims (4)

1.一种智能电动执行机构控制器，包括主控模块(11)、I/O接口及辅控模块(12)、功率控制模块(13)，其特征在于：

所述主控模块(11)与I/O接口及辅控模块(12)相连，所述I/O接口及辅控模块(12)的输入端与位置检测模块(18)相连，并将位置信号上传给主控模块(11)；

所述主控模块(11)还分别与监控***(16)、调试终端(17)相连；

所述主控模块(11)还与功率控制模块(13)相连，进而驱动所述执行机构三相异步电机(15)动作，

所述I/O接口及辅控模块(12)与液晶屏及LED信号指示灯(14)相连，显示执行机构各种运行状态及故障信息。

2.根据权利要求1所述的智能电动执行机构控制器，其特征在于：

所述I/O接口及辅控模块(12)包括辅助CPU(211)、充电锂电池(212)、电源管理电路(213)、液晶显示模块(214)、状态显示电路(215)、电机转速脉冲及方向检测模块(216)、DI检测模块(217)、AI调理模块(218)、DO输出模块(219)、D/A转化模块(220)及AO输出模块(221)，所述电源管理电路(213)、液晶显示模块(214)、状态显示电路(215)、电机转速脉冲及方向检测模块(216)、DI检测模块(217)、AI调理模块(218)、DO输出模块(219)、D/A转化模块(220)均与辅助CPU(211)相连，所述电源管理电路(213)与充电锂电池(212)相连，所述D/A转化模块(220)的输出与AO输出模块(221)的输入相连。

3.根据权利要求1所述的智能电动执行机构控制器，其特征在于：

所述功率控制模块(13)包括中间继电器控制电路(311)、第一中间继电器(312)、第二中间继电器(313)、第一交流接触器(316)、第二交流接触器(317)、热保护继电器(318)、可控硅控制电路(321)、第一可控硅(322)、第二可控硅(323)、第三可控硅(324)、三相电流互感器(325、326、327)；

所述中间继电器控制电路(311)的输入与所述I/O接口及辅控模块(12)的输出相连，中间继电器控制电路(311)的两路输出分别连接到第一中间继电器(312)和第二中间继电器(313)输入端，第一中间继电器(312)的输出与第一交流接触器(316)的输入相连，第二中间继电器(313)的输出与第二交流接触器(317)的输入相连，第一交流接触器(316)与第二交流接触器(317)的输出均与所述热保护继电器(318)的输入相连，所述热保护继电器(318)的输出分别与第一可控硅(322)、第二可控硅(323)、第三可控硅(324)的输入端相连； 

所述可控硅控制电路(321)的输入端与所述I/O接口及辅控模块(12)的输出相连，可控硅控制电路(321)的输出端分别连接到第一可控硅(322)、第二可控硅(323)、第三可控硅(324)的门极控制端，三相电流互感器(325、326、327)分别串接在第一可控硅(322)、第二可控硅(323)、第三可控硅(324)的主回路上。

4.根据权利要求1或2或3所述的智能电动执行机构控制器，其特征在于：所述主控模块(11)采用32位单片机ARM9系列。 

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