一種電動執行機構的智能控制系統的製作方法

2023-05-17 10:24:31 2

專利名稱：一種電動執行機構的智能控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及控制器技術，具體為一種電動執行機構的智能控制系統，適用於電廠、冶金、化工、石油、建材、輕工及水處理等行業生產過程的智能測量和自動控制。
背景技術：
目前，公知的電動執行機構主要是由傳感器、控制器、減速器、電機及聯接部分組成。電動執行機構是用單相交流伺服電動機或三相交流伺服電動機為驅動裝置的伺服機構。由與電動執行機構配接的控制器接受來自調節器或計算機的信號與電動執行機構傳感器反饋回來的信號進行比較放大，輸出足夠大的功率，使電機旋轉帶動減速器工作，直到信號偏差小於死區為止，此時電動執行機構的輸出軸就穩定在與輸入信號相對應的位置上。 但是常規的電動執行機構採用模擬電路，調整設置繁瑣，使用數碼管顯示不直觀，要記代號，特別是驅動部分換向慢，精度低，不適應現代工業控制需求。

實用新型內容針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種電動執行機構的智能控制系統，該智能控制系統結構簡單，設置容易，驅動轉向快，控制精度高，適於電動執行機構的工業化使用。本實用新型解決所述技術問題的技術方案是設計一種電動執行機構的智能控制系統，由硬體部分和軟體部分組成，其特徵在於所述的硬體部分採用模塊化設計，包括以下組成單元微處理器、A/D模數轉換器、D/A數模轉換器，顯示電路，光隔離電路和電機驅動電路；各組成單元以微處理器為核心，採用星型連接方式與微處理器連接A/D模數轉換器和D/A數模轉換器嵌裝在微處理器內；微處理器通過A/D模數轉換器與光隔離電路相連；微處理器通過D/A數模轉換器與調節器連接；微處理器通過通信埠與顯示電路相連；微處理器通過強電隔離電路和可控矽與電機驅動電路相連；所述的軟體部分包括主程序、人機界面處理程序、自動調試程序、故障處理程序、 數模轉換和數據處理程序及手動操作故障處理程序。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是1.採用中文顯示方式，按鍵輸入，設置簡潔，使用方便；2.採用可控矽控制電機換向為微秒級，比現有技術用繼電器、接觸器的秒級控制要高兩個數量級，且無火花，驅動轉向快使，用壽命長；3.採用數字比較方式高速處理、智能定位、自適應算法和電器剎車，適於電動執行機構的工業化使用。

圖1為本實用新型一種實施例的整體結構組成示意圖；圖2為本實用新型一種實施例的系統設置流程示意圖；圖3為本實用新型一種實施例的系統運行流程示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和其附圖對本實用新型做進一步說明。本實用新型設計的電動執行機構的智能控制系統(簡稱控制系統，參見圖1-3)， 由硬體部分和軟體部分組成，其特徵在於所述的硬體部分採用模塊化設計，包括以下組成單元(參見圖1)微處理器1、A/ D模數轉換器2、D/A數模轉換器3，顯示電路4，光隔離電路5和電機驅動電路6 ；各組成單元以微處理器1為核心，採用星型連接方式與微處理器1連接A/D模數轉換器2和D/A數模轉換器3嵌裝在微處理器1內；微處理器1通過A/D模數轉換器2與光隔離電路5相連； 微處理器1通過D/A數模轉換器2與調節器(DCQ連接；微處理器1通過通信埠與顯示電路4相連；微處理器1通過強電隔離電路和可控矽與電機驅動電路6相連；所述的軟體部分包括主程序、人機界面處理程序、自動調試程序、故障處理程序、 數模轉換和數據處理程序及手動操作故障處理程序。本實用新型控制系統根據智能化、模塊化、可靠性高、抗幹擾能力強和成本低等原則設計。控制核心微處理器1採用ATXmega32A4-AU型微處理器，該微處理器為先進的RISC 結構的工業級8/16位微處理器，具有速度快、功能強和價格低等特點，其最高工作頻率可達32MHz，有4K字節的片內RAMUOM字節的電可擦可編程只讀存儲器EEPR0M、36+4K字節的片內FLASH存儲器，8路12位A/D，2路12位D/A及SCI、I2C、SPI等通訊接口。本實用新型控制系統應用內部的A/D模數轉換器2進行閥門(電動執行機構以閥門為例，下同)位置信號及輸入控制信號的採集，利用脈寬調製PWM輸出經過濾波後的位置信號，利用EEPROM存儲器進行通訊存儲設置值，利用串行通信接口 SCI通過MAX485接口晶片與上位機進行數據交換，充分利用了該晶片的內部資源，節約了成本。本實用新型控制系統的信號輸入部分利用ATXmega32A4內部12位高速A/D轉換， 將輸入的模擬信號和閥門位置反饋的模擬信號進行量化。採用REF02作為A/D的基準電壓， 其溫度漂移係數為3PPM/°C。本實用新型控制系統的信號輸出部分ATXmega32A4有2通道12位高速D/A，每個通道有獨立的計數器，可選擇PWM輸入時鐘以產生各種PWM頻率，並有自動相位控制。利用其中一路PWM作為模擬量輸出信號，其餘兩路作為電機控制信號；同時選擇I/O 口 PTB6作為繼電器開關量輸出的控制信號。本實用新型控制系統在工業現場使用時，會涉及到各種儀表、傳感器及執行機構， 會由於各種原因引入幹擾信號，特別是可能存在各種危險的強電壓信號。為了保證控制系統的安全，保證控制系統檢測信號的正確性和運行的可靠性，本實用新型控制系統採用現有技術的光耦合電路對輸入輸出信號進行隔離。實施例的光隔離電路5為HCNR201型光耦合隔離電路。為了完成工業現場遠程控制和組網的需要，本實用新型控制系統支持RS485通訊方式。實施例的電平轉換晶片採用MAX485。實際工作時，可以與上位機進行遠程通訊，進行運行方式的設定，並監控控制系統的運行狀態。本實用新型控制系統的電機驅動採用電力電子開關雙向可控矽電路驅動，實施例的雙向可控矽為BTA25。雙向可控矽具有開關速度快、壽命長、無火花和拉弧現象等特點，可保證執行機構在高溫條件下的長期可靠運行，同時有助於對電機的保護。主電路與CPU之間採用現有技術的光耦合強電隔離電路驅動。實施例的強電隔離電路採用M0C3081型光耦合強電隔離電路。本實用新型控制系統的實際設計中，所述M0C3081型光耦合強電隔離電路的二極體前向電流為15mA，因而可以由ATXmega32A4-AU型微處理器的I/O 口採用灌電流方式直接驅動。在實際工作時，RC吸收回路的實際參數根據電機參數的不同確定。本實用新型控制系統的工作過程是(參見圖1)來自控制室自調節器(DCS)的指令信號(實施例為4-20mA)經調理電路、I/V轉換電路及光隔離電路5隔離(電壓信號Ul) 傳輸到微處理器1 (MCU)的A/D模數轉換器2進行指令信號的採集(數位訊號XI)；執行機構傳感器的閥位信號(電壓U2)經過調理電路，也送到微處理器1的A/D模數轉換器2進行閥位信號的採集(數位訊號Χ2)，然後微處理器1對採集到得的指令信號(Xl)和閥位信號擬、進行比較運算。(1)微處理器1起動電機驅動電路5，控制電機轉動，帶動減速器工作，閥門相應動作，使執行機構的輸出軸穩定在與指令信號相對應的位置上，直到信號偏差小於死區為止， 完成調節。(2)微處理器1同時把指令信號(Xl)和閥位信號(X2)送到顯示電路4進行指令 (給定)值和閥位(開度)值的直觀顯示。(3)微處理器1同時把閥位信號、\1、送給D/A數模轉換器3，經V/I轉換電路轉換為返饋信號(實施例為4-20mA)，回送到控制室的自調節器(DCS)。本實用新型所述的軟體部分包括主程序、人機界面處理程序及自動調試、故障處理、數模轉換和數據處理和手動操作故障處理等子程序。主程序設置流程和運行流程如圖 2、圖3所示。本實用新型控制系統在運行過程中，能夠判斷各種故障狀態，一旦發現故障，立即報警顯示，同時輸出一組繼電器開關量信號給用戶，並立即切斷電機電源。本實用新型控制系統的軟體採用中斷方式設計，包括主程序設計和子程序設計。 在主程序中進行系統的初始化、控制參數設置、控制方式選擇、位置檢測、指針跟隨以及故障處理等工作，其中，(1) 「系統初始化」的程序處理過程為系統上電後，首先進行初始化設置，包括I/ 0初始化、A/D初始化、EVA以及SCI初始化等，而後從EEPROM中讀取上次運行設定的參數值，包括行程初值、終值、限位值、靈敏度值以及控制方式選擇標誌位，並將這些參數存入數據寄存器中。(2) 「控制參數設置」程序處理過程為根據閥門的實際閥位標定(參見圖1)滑動點B隨時體現閥門的實際閥位，閥門的全關位對應電位器的A點，閥門的全開位對應電位器的C點，對全關、全開位進行採集並存入EEPROM中。過程控制參數限位值、靈敏度值、剎車時間等觀察顯示屏用按鍵控制輸入進行設定。(3) 「選擇控制方式」的程序處理過程為根據控制方式標誌，進入相應的程序分支，可選本地遙控控制、手動操作控制，本地3種控制方式可根據需要由控制者切換，切換方式簡單可靠。遠程標準4 20mA電流信號控制及開關量控制。遠程2種控制方式可根據需要由控制者切換。[0033](4) 「位置檢測」程序處理過程為(參見圖1)電位器的滑動點B隨時體現閥門的實際閥位，每個循環中都對電位器的滑動點B對採樣位置，實時對閥門的位置檢測(5) 「指針跟隨以及故障處理」的程序處理過程為每個分支的循環中採樣位置反饋信號，與上次採樣值比較作差，差值轉化為脈衝數驅動指針旋轉，實時跟隨閥位，直到電機停止，指針便指示當前位置，掉電後依然能夠保持，旋轉方向由差值的符號決定。當檢測到故障信號時，系統停止運行。子程序的設計包括行程在線標定、紅外遙控中斷，中文顯示，A/D採樣、SCI通信、 PWM輸出等。子程序為現有技術。本實用新型控制系統採用4個鍵復用的方法實現對系統的控制及參數設定。4個鍵的定義分別為開 (Open)、關丨(Close)、確認E(Enter)、設置S(kt-Rim)。設置S鍵為功能鍵，按此鍵進入設置菜單。開、關鍵可用於增加和減小當前數值或進行參數選擇，在手動操作中，開、關鍵代表向上或向下指令。S鍵也為切換鍵，可以改變當前輸入焦點，配合開、 關鍵，可以很方便的實現任意數字的輸入。本實用新型控制系統在電機控制算法上採用PID調節，避免了超調、振蕩的發生， 同時可選直接比例控制和比例+步進控制等控制方式，使控制系統能適用不同類型的電機。本實用新型控制系統的軟體設計還有如下功能只要調整好限位開關後，作一次自整定，即可隨時調整閥門兩端位置，極大地方便了用戶。系統還提供RS485通訊協議，用戶可以通過上位機編程控制閥門，使閥門聯網通訊及計算機控制更加方便。本實用新型控制系統除了具有常規控制系統的功能，如對現行的多種信號兼容功能、指令信號失效判斷功能、位置發送器信號失效判斷功能、電機超溫保護、機械限位及過力矩保護和瞬間防反轉功能之外，還具有以下獨特的功能偽指令判斷剔除功能、自動調整電機轉動方向功能(相序校正)、電源缺相保護報警功能、自適應定位功能、電器制動(剎車)功能、堵轉判斷與處理功能等。其中，所述偽指令判斷剔除功能是指對控制指令的變化進行比較、判斷，對瞬間的變化偽指令進行剔除，防止誤觸發，當確認是控制指令信號變化時執行，否則保持原狀態，大大提高執行器的抗幹擾能力。所述自動調整電機轉動方向功能(相序校正)是指控制器能在行程標定時自動識別相序調整電機轉動方向，並自動調整為需要的方向，無需人工介入。所述電源缺相保護報警功能是指針對三相電機在使用中由於電源缺相造成的損壞，採用了電流檢測方法對電源缺相檢測，當電源缺一相或兩相時，顯示「電源缺相」，同時停止電機轉動，保障了電機不會因電源缺相而損壞。所述自適應定位功能是指採用獨特的自適應算法確定發出電機停止信號的時間， 大大地提高了定位精度，克服了執行器剎車機構的慣性、磨損或負載力(矩)的變化等因素引起的變化，自適應定位軟體均可進行自適應運算，找出最佳的停機時間，減少電機的起動次數，保證精確定位，大大降低了基本誤差。所述電器制動(剎車)功能是指對於慣性過大的三相交流伺服電機，可啟用電器制動功能，以減小電機慣性帶來的跟蹤誤差，提高控制系統的定位精度。本實用新型控制系統是採用直流能耗制動，依靠電機來身消耗動能達到停車，但這會引起電機溫度上升，在設置時應選擇儘可能短的制動時間。實施例的控制系統默認制動時間是1.0S。所述堵轉判斷與處理功能是指如果閥門出現堵轉或其它機械故障導致閥門不動作時，控制系統會自動控制電機反轉一小步，然後再按原方向即正轉運轉，如果堵轉消失， 轉入正常運行；如果堵轉繼續，則重複反轉後退與正轉前進三次。三次進退嘗試後，如果堵轉消失，按正常情況處理，如果堵轉仍不能消失，則立即關斷電機電源，並發出報警信號。本實用新型未述及之處適用於現有技術。
權利要求1.一種電動執行機構的智能控制系統，其特徵在於硬體部分採用模塊化設計，包括以下組成單元微處理器、A/D模數轉換器、D/A數模轉換器，顯示電路，光隔離電路和電機驅動電路；各組成單元以微處理器為核心，採用星型連接方式與微處理器連接A/D模數轉換器和D/A數模轉換器嵌裝在微處理器內；微處理器通過A/D模數轉換器與光隔離電路相連；微處理器通過D/A數模轉換器與調節器連接；微處理器通過通信埠與顯示電路相連； 微處理器通過強電隔離電路和可控矽與電機驅動電路相連。
2.根據權利要求1所述電動執行機構的智能控制系統，其特徵在於所述的微處理器為 ATXmega32A4-AU型微處理器。
3.根據權利要求1所述電動執行機構的智能控制系統，其特徵在於所述的光隔離電路為HCNR201型光耦合隔離電路。
4.根據權利要求1所述電動執行機構的智能控制系統，其特徵在於所述的強電隔離電路採用M0C3081型光耦合強電隔離電路。
5.根據權利要求4所述電動執行機構的智能控制系統，其特徵在於所述M0C3081型光耦合強電隔離電路的二極體前向電流為15mA。
專利摘要本實用新型公開一種電動執行機構的智能控制系統，由硬體部分和軟體部分組成，其特徵在於硬體部分包括以下組成單元微處理器、A/D模數轉換器、D/A數模轉換器，顯示電路，光隔離電路和電機驅動電路；各組成單元以微處理器為核心，採用星型連接方式與微處理器連接A/D模數轉換器和D/A數模轉換器嵌裝在微處理器內；微處理器通過A/D模數轉換器與光隔離電路相連；微處理器通過D/A數模轉換器與調節器連接；微處理器通過通信埠與顯示電路相連；微處理器通過強電隔離電路和可控矽與電機驅動電路相連；軟體部分包括主程序、人機界面處理程序、自動調試程序、故障處理程序、數模轉換和數據處理程序及手動操作故障處理程序。
文檔編號G05B19/04GK202120061SQ201120212118
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月22日 優先權日2011年6月22日
發明者孫偉, 張新江, 彭增喜, 蘇振立, 閆文發 申請人:天津市哈維泰科技有限公司