專利名稱：一種智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制單元，特別涉及一種在嵌入式ARM9 工控主板平臺(tái)上開發(fā)的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制單元。
背景技術(shù)：
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分，以電能為動(dòng)力，接受 調(diào)節(jié)器來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(模擬量或數(shù)字量)，通過(guò)將此變成相應(yīng)的機(jī)械位移(角行程、直行程 或多回轉(zhuǎn))來(lái)自動(dòng)改變操作變量(閥門，調(diào)節(jié)閥、風(fēng)門、蝶閥，擋板開度等)，以達(dá)到對(duì)被調(diào) 參數(shù)(溫度、壓力、流量、液位等)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過(guò)程按照預(yù)定設(shè)置和要求進(jìn) 行。傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如DKJ型角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu))采用機(jī)械控制手段，存在著 控制手段落后、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位精度低、可靠性差等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。九十年代以后，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā) 展，國(guó)際上出現(xiàn)了智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它是一種新型帶有微處理器的智能終端執(zhí)行元件。 中央處理單元CPU (Central Processing Unit，簡(jiǎn)稱微處理器(Microprocessor))的嵌入， 增強(qiáng)了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)算和信息存儲(chǔ)能力，從而大大提高了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精 度及故障診斷能力。智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)即帶動(dòng)閥門動(dòng)作的電機(jī)組成?？?制單元不僅要采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)有關(guān)參數(shù)和狀態(tài)信息與上層控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)信息傳遞，而且 要接受上層控制系統(tǒng)的指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的起停、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。由于微處理器的種類 很多，按照字節(jié)長(zhǎng)短就有4位、8位、16位、32位四種。如Toshiba公司的TMP47X X X系列 屬于4位單片機(jī)；Intel公司的8031/8051/8751和ATMEL公司的部分AVR單片機(jī)屬于8位 單片機(jī)；TI公司的MSP430系列屬于16位單片機(jī)；ARM公司的ARM9處理器屬于32位單片機(jī)。 目前，32位單片機(jī)是單片機(jī)的頂級(jí)產(chǎn)品，具有級(jí)高的運(yùn)算速度。現(xiàn)有的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 控制單元還未見有采用32位單片機(jī)的。如，1990年12公開發(fā)明專利(CN 1047746A)智能 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是Intel公司的8位單片機(jī)8031 ；2000年4月5日授權(quán)公告的實(shí)用新 型專利(CN 2372709Y) 一種智能電動(dòng)執(zhí)行器采用的是8位單片機(jī)PIC16C56 ；2007年12月 授權(quán)公告的實(shí)用新型專利(CN200997054Y) —種電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能控制裝置采用的是16 位單片機(jī)MSP430F147;2008年3月申請(qǐng)的實(shí)用新型專利(CN201177763Y)新型智能電動(dòng)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)中采用了 8位單片機(jī)“上述嵌入式微處理器的型號(hào)是ATmega64-16AT或ATmegal28”。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明一種性能和可靠性更高的 智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制單元。為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型發(fā)明目的，采取的技術(shù)方案是這樣的[0008]一種智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，包括主控模塊11、1/0接口及輔控模塊12、功率控 制模塊13，其特征在于所述主控模塊11與I/O接口及輔控模塊12相連，所述I/O接口及輔控模塊12的 輸入端與位置檢測(cè)模塊18相連，并將位置信號(hào)上傳給主控模塊11 ；所述主控模塊11還分別與監(jiān)控系統(tǒng)16、調(diào)試終端17相連；所述主控模塊11還與功率控制模塊13相連，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電 機(jī)15動(dòng)作，所述I/O接口及輔控模塊12與液晶屏及LED信號(hào)指示燈14相連，顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu) 各種運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。功率控制模塊13由兩個(gè)交流接觸器、兩個(gè)控制交流接觸器的中間繼電器、三相熱 保護(hù)繼電器、三個(gè)可控硅、三個(gè)電流互感器成。在兩個(gè)交流接觸器之間加裝機(jī)械互鎖模塊。IO接口和輔控模塊的CPU采用16位單片機(jī)MSP430系列。通過(guò)IO接口和輔控模 塊內(nèi)部的電源管理電路實(shí)現(xiàn)正常工作電源失電的情況下對(duì)輔助CPU供電方式的切換，并提 供充電電路，在有正常工作電源的情況下對(duì)IO接口和輔控模塊內(nèi)部的鋰電池進(jìn)行充電，充 電狀態(tài)信號(hào)及充電失敗信號(hào)都要發(fā)送給主控模塊。采用非接觸式霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)，末端位置存在掉電RAM中，實(shí) 時(shí)位置也不斷寫入掉電RAM中，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電時(shí)位置不丟失，且此時(shí)由后備鋰電池供 電，就地手搖式仍能進(jìn)行閥位的檢測(cè)和顯示。本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)在于1)采用三個(gè)模塊三個(gè)電路板的結(jié)構(gòu)，功能定位清晰、結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝和調(diào)試；2)主控模塊CPU采用32位單片機(jī)，極大提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，可以很好地滿足 現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等對(duì)智能儀表性能要求較高的新興控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求；3)通常三相電機(jī)的運(yùn)行方向是通過(guò)改變?nèi)嚯姍C(jī)的相序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體實(shí)現(xiàn)是采 用兩個(gè)交流接觸器或5個(gè)主可控硅實(shí)現(xiàn)，如果采用交流接觸器控制電機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作過(guò) 程中接觸器會(huì)頻繁合斷，接觸器的觸點(diǎn)之間產(chǎn)生大的電火花，影響其使用壽命，如果完全使 用可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)相序調(diào)整，控制邏輯較復(fù)雜。本實(shí)用新型采用兩個(gè)三相交流接觸器，在接觸 器觸點(diǎn)上并聯(lián)合適的壓敏電阻，有效減少了拉弧，提高了交流接觸器的使用壽命。另外在線 路中由于交流接觸器不能頻繁合斷及產(chǎn)生窄脈沖，用三個(gè)可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)閥位的細(xì)調(diào)，交流 接觸器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向功能。在軟件互鎖的基礎(chǔ)上增加機(jī)械互鎖模塊大大提高了系 統(tǒng)的安全性和實(shí)用性；4)MSP430系列是16位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，IO接口 和輔控模塊采用它作為CPU，有效提高了該模塊的性能；5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)采用非接觸式霍爾傳感器技術(shù)，提高了測(cè)量精度，延長(zhǎng)了使 用壽命；6)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)3相電流，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩的電子測(cè)量，并完善了 電機(jī)的保護(hù)性能。

圖1為智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制單元結(jié)構(gòu)框圖；[0024]圖2為功率控制模塊原理框圖；圖3為IO接口及輔控模塊原理框圖；圖4為充3對(duì)磁極的磁環(huán)圖；圖5為電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)A、B兩個(gè)霍爾器件的輸出脈沖圖。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)說(shuō)明書附圖，結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō) 明。如圖1所示，智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制單元1主要由主控模塊11、IO接口及輔控模 塊12、功率控制模塊13組成。所述主控模塊11與I/O接口及輔控模塊12相連，所述I/O接口及輔控模塊12的 輸入端與位置檢測(cè)模塊18相連，并將位置信號(hào)上傳給主控模塊11 ；所述主控模塊11還分別與監(jiān)控系統(tǒng)16、調(diào)試終端17相連；所述I/O接口及輔控模塊12的輸出端與執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電機(jī)15相連，驅(qū)動(dòng)所 述執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電機(jī)15動(dòng)作。主控模塊11與I/O接口及輔控模塊12相連，所述I/O接口及輔控模塊12的輸入 端與位置檢測(cè)模塊18相連，并將采集信號(hào)上傳給主控模塊11 ；所述主控模塊11還分別與監(jiān)控系統(tǒng)16、調(diào)試終端17相連；所述主控模塊11還與功率控制模塊13相連，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電 機(jī)15動(dòng)作。所述I/O接口及輔控模塊12與液晶屏及IXD信號(hào)指示燈14相連，顯示執(zhí)行各種 運(yùn)行及故障信息。功率控制模塊13驅(qū)動(dòng)智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電機(jī)15動(dòng)作。主控 模塊11對(duì)外與監(jiān)控系統(tǒng)16及調(diào)試終端17相連，主控模塊CPU采用ARM9302。I/O接口及 輔控模塊12采集位置檢測(cè)模塊18采集的閥門位置信號(hào)并按照控制策略發(fā)送給主控模塊， 并通過(guò)內(nèi)部的液晶顯示模塊和狀態(tài)顯示電路完成液晶屏及LED信號(hào)指示燈14的控制。液 晶屏顯示及LCD信號(hào)指示燈14的控制是通過(guò)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示，功率控制模塊13由中間繼電器控制電路311、第一中間繼電器312、 第二中間繼電器313、第一交流接觸器316、第二交流接觸器317、熱保護(hù)繼電器318、可控硅 控制電路321、第一可控硅322、第二可控硅323、第三可控硅324、三相電流互感器(電流互 感器325、電流互感器326、電流互感器327)組成。所述中間繼電器控制電路311的輸入與 所述I/O接口及輔控模塊12的輸出相連，中間繼電器控制電路311的兩路輸出分別連接到 第一中間繼電器312和第二中間繼電器313輸入端，第一中間繼電器312的輸出與第一交 流接觸器316的輸入相連，第二中間繼電器313的輸出與第二交流接觸器317的輸入相連， 第一交流接觸器316與第二交流接觸器317的輸出均與所述熱保護(hù)繼電器318的輸入相 連，所述熱保護(hù)繼電器318的輸出分別與第一可控硅322、第二可控硅323、第三可控硅324 的的輸入端，可控硅輸出端與異步電機(jī)相連去驅(qū)動(dòng)電機(jī)。所述可控硅控制電路321的輸入端與所述I/O接口及輔控模塊12的輸出相連，可 控硅控制電路321的輸出端分別連接到第一可控硅322、第二可控硅323、第三可控硅324的門極控制端，三相電流互感器325、326、327分別串接在第一可控硅322、第二可控硅323、 第三可控硅324的主回路上。在交流接觸器316和交流接觸器317之間加裝機(jī)械互鎖模塊。在交流接觸器316 和交流接觸器317觸點(diǎn)上并聯(lián)壓敏電阻。本實(shí)例中交流接觸器316和317選用施耐德公司 的交流接觸器LC1-D18Q7C，三相熱保護(hù)繼電器318用于過(guò)流保護(hù)選用施耐德公司的熱保護(hù) 繼電器LRD-08C，可控硅322、323、324選用ST公司的BTA40-800，電流互感器325、326、327 選用德昌耀華的TA20(FL)-200。執(zhí)行機(jī)構(gòu)起動(dòng)時(shí)，先觸發(fā)接通交流接觸器調(diào)整連接閥門的 開或關(guān)，然后觸發(fā)可控硅，實(shí)現(xiàn)閥位的細(xì)調(diào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止時(shí)，先斷開可控硅，延時(shí)一會(huì)兒再 斷開交流接觸器，此時(shí)流過(guò)交流接觸器的電流為零，從而防止交流接觸器出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。電 流互感器325、326、327用于電機(jī)三相電流檢測(cè)。如圖3所示，I/O接口及輔控模塊12主要由輔助CPU 211、充電鋰電池212、電源 管理電路213、液晶顯示模塊214、狀態(tài)顯示電路215、電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖及方向檢測(cè)模塊216、DI 檢測(cè)模塊217、AI調(diào)理模塊218、DO輸出模塊219、D/A轉(zhuǎn)化模塊220及AO輸出模塊221組 成。輔助CPU選擇MSP430F135芯片。所述電源管理電路213、液晶顯示模塊214、狀態(tài)顯示 電路215、電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖及方向檢測(cè)模塊216、DI檢測(cè)模塊217、AI調(diào)理模塊218、D0輸出模 塊219、D/A轉(zhuǎn)化模塊220均與輔助CPU 211相連，所述電源管理電路213與充電鋰電池212 相連，所述D/A轉(zhuǎn)化模塊220的輸出與AO輸出模塊221的輸入相連。電源管理電路213主要完成在有無(wú)電源的情況下對(duì)輔助CPU 211供電方式的切 換，并提供充電電路，在有電源的情況下對(duì)鋰電池212進(jìn)行充電。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)掉電情況下， 在就地手動(dòng)操作時(shí)，由充電鋰電池212對(duì)輔助CPU 211和電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖及方向檢測(cè)模塊 216供電，完成位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)；在正常工作時(shí)，輔助CPU 211實(shí)時(shí)檢測(cè)閥門位置，并通過(guò)串 口，送給主控模塊11，此外來(lái)自主控模塊11的狀態(tài)參數(shù)、輸出指令送給輔助CPU211，由輔助 CPU211驅(qū)動(dòng)液晶模塊214。顯示狀態(tài)電路215由4個(gè)LED燈組成，分別表示全開、全關(guān)、遠(yuǎn) 控、就地四種狀態(tài)。AI調(diào)理電路主要將1路電機(jī)繞組熱電阻信號(hào)、1路4 20mA信號(hào)、3路 CT信號(hào)、1路鋰電池溫度傳感器信號(hào)調(diào)理為AD轉(zhuǎn)換器可接受的低于士 IOV的電壓信號(hào)，并 完成現(xiàn)場(chǎng)與本地的電氣隔離。如圖4所示為1個(gè)充3對(duì)磁極的磁環(huán)，我們將此磁環(huán)安裝于電機(jī)軸上，設(shè)計(jì)一塊檢 測(cè)電路板，檢測(cè)電路板上安裝2個(gè)霍爾器件，電路板布置在正對(duì)磁環(huán)的位置，距離1 2mm。 兩個(gè)霍爾器件分布在圓周上，間隔30°，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磁環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)霍爾器件輸出脈沖 信號(hào)相位差為90°，用此相位差判別電機(jī)轉(zhuǎn)向。計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)霍爾器件A輸出的脈沖個(gè) 數(shù)(從0到1的跳變沿有效)可得出電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，通過(guò)對(duì)霍爾器件A輸出的脈沖個(gè)數(shù)的 累計(jì)可計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置。霍爾器件選用日本旭化成公司生產(chǎn)的霍爾器件EW512。圖5為A、B兩個(gè)霍爾器件的輸出脈沖(A、B兩個(gè)霍爾器件安裝位置按順時(shí)針?lè)较颍?先A后B，間隔30° )。
權(quán)利要求一種智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，包括主控模塊(11)、I/O接口及輔控模塊(12)、功率控制模塊(13)，其特征在于所述主控模塊(11)與I/O接口及輔控模塊(12)相連，所述I/O接口及輔控模塊(12)的輸入端與位置檢測(cè)模塊(18)相連，并將位置信號(hào)上傳給主控模塊(11)；所述主控模塊(11)還分別與監(jiān)控系統(tǒng)(16)、調(diào)試終端(17)相連；所述主控模塊(11)還與功率控制模塊(13)相連，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電機(jī)(15)動(dòng)作，所述I/O接口及輔控模塊(12)與液晶屏及LED信號(hào)指示燈(14)相連，顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)各種運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，其特征在于所述I/O接口及輔控模塊(12)包括輔助CPU(211)、充電鋰電池(212)、電源管理電路 (213)、液晶顯示模塊(214)、狀態(tài)顯示電路(215)、電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖及方向檢測(cè)模塊(216)、DI 檢測(cè)模塊(217)、AI調(diào)理模塊(218)、D0輸出模塊(219)、D/A轉(zhuǎn)化模塊(220)及AO輸出模 塊(221)，所述電源管理電路(213)、液晶顯示模塊(214)、狀態(tài)顯示電路(215)、電機(jī)轉(zhuǎn)速脈 沖及方向檢測(cè)模塊(216)、DI檢測(cè)模塊(217)、AI調(diào)理模塊(218)、D0輸出模塊(219)、D/A 轉(zhuǎn)化模塊(220)均與輔助CPU(211)相連，所述電源管理電路(213)與充電鋰電池(212)相 連，所述D/A轉(zhuǎn)化模塊(220)的輸出與AO輸出模塊(221)的輸入相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，其特征在于所述功率控制模塊(13)包括中間繼電器控制電路(311)、第一中間繼電器(312)、第二 中間繼電器(313)、第一交流接觸器(316)、第二交流接觸器(317)、熱保護(hù)繼電器(318)、可 控硅控制電路(321)、第一可控硅(322)、第二可控硅(323)、第三可控硅(324)、三相電流互 感器(325、326、327)；所述中間繼電器控制電路(311)的輸入與所述I/O接口及輔控模塊(12)的輸出相連， 中間繼電器控制電路(311)的兩路輸出分別連接到第一中間繼電器(312)和第二中間繼電 器(313)輸入端，第一中間繼電器(312)的輸出與第一交流接觸器(316)的輸入相連，第二 中間繼電器(313)的輸出與第二交流接觸器(317)的輸入相連，第一交流接觸器(316)與 第二交流接觸器(317)的輸出均與所述熱保護(hù)繼電器(318)的輸入相連，所述熱保護(hù)繼電 器(318)的輸出分別與第一可控硅(322)、第二可控硅(323)、第三可控硅(324)的輸入端 相連；所述可控硅控制電路(321)的輸入端與所述I/O接口及輔控模塊(12)的輸出相連，可 控硅控制電路(321)的輸出端分別連接到第一可控硅(322)、第二可控硅(323)、第三可控 硅(324)的門極控制端，三相電流互感器(325、326、327)分別串接在第一可控硅(322)、第 二可控硅(323)、第三可控硅(324)的主回路上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器，其特征在于所述主控 模塊(11)采用32位單片機(jī)ARM9系列。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器。主控模塊(11)與I/O接口及輔控模塊(12)相連，I/O接口及輔控模塊(12)的輸入端與位置檢測(cè)模塊(18)相連，并將位置信號(hào)上傳給主控模塊(11)；主控模塊(11)還分別與監(jiān)控系統(tǒng)(16)、調(diào)試終端(17)相連；主控模塊(11)還與功率控制模塊(13)相連，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電機(jī)(15)動(dòng)作，所述I/O接口及輔控模塊(12)與液晶屏及LED信號(hào)指示燈(14)相連，顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)各種運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。本實(shí)用新型可以很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等對(duì)智能儀表性能要求較高的新興控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)H02P25/16GK201667636SQ200920246730
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者余康, 張雁, 武芳, 邵巍龍, 黃振江 申請(qǐng)人:北京華電天仁電力控制科技有限公司