基于CPLD的電動(dòng)閥門驅(qū)動(dòng)裝置控制器設(shè)計(jì)

　　電動(dòng)閥門動(dòng)力裝置的控制特性和可靠性對(duì)閥門和整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制具有重要影響。該文根據(jù)開關(guān)閥的動(dòng)作機(jī)理和無刷直流電機(jī)的工作原理,利用脈寬調(diào)制專用集成芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD),設(shè)計(jì)了開關(guān)閥動(dòng)力裝置的無刷直流電機(jī)控制器。軟件仿真和試驗(yàn)表明,驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)試方便,可靠性高,適合于煉油化工、油氣儲(chǔ)運(yùn)、水利等行業(yè)要求。

引言

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工機(jī)械調(diào)節(jié)方式在很多應(yīng)用場(chǎng)合中已暴露出明顯弊端。例如在成品油庫的油品收發(fā)過程中，大量的手動(dòng)閥門大大增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，準(zhǔn)確性、可靠性、安全性往往依賴人的組織能力及個(gè)體素質(zhì)。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)改善員工健康安全環(huán)保條件，提升生產(chǎn)效率，都具有重要的意義。

　　開關(guān)閥門的基本功能是控制管網(wǎng)的調(diào)壓和油路、水路和氣路等的通斷，是管網(wǎng)的關(guān)鍵部件。為使閥門開閉動(dòng)作可靠，需要有大扭矩電驅(qū)動(dòng)裝置，且體積要小、重量要輕。目前國內(nèi)所采用電動(dòng)閥門驅(qū)動(dòng)大都采用有刷電機(jī)。相比而言，永磁無刷直流電機(jī)(BrushlessDCMotor，BLDCM)具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩/電流比高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于國防和民用領(lǐng)域，永磁無刷直流電機(jī)的這些特點(diǎn)，使其更適用于閥門驅(qū)動(dòng)。本文采用脈寬集成控制芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件(ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD)，設(shè)計(jì)了一套基于無刷直流電機(jī)的開關(guān)閥電驅(qū)動(dòng)裝置。

1、開關(guān)閥動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

　　本開關(guān)閥動(dòng)力裝置由2套無刷直流電機(jī)系統(tǒng)組成，如圖1所示，電機(jī)M只能單向旋轉(zhuǎn)，主要作為閥門開啟的動(dòng)力源。電機(jī)N需要雙向旋轉(zhuǎn)，正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)完成閥門開啟狀態(tài)的鎖定，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)釋放閥門的鎖定狀態(tài)，閥芯在反力的作用下完成關(guān)閥動(dòng)作。閥門開啟到位信號(hào)、閥門關(guān)閉到位信號(hào)以及閥門開啟鎖定狀態(tài)信號(hào)都由光電開關(guān)檢測(cè)。

圖1 開關(guān)閥動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1、系統(tǒng)方案

　　閥門要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)切換，同時(shí)要能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和就地控制的轉(zhuǎn)換。本方案中將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)控制單元分開設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器接收系統(tǒng)控制單元的控制信號(hào)，并向系統(tǒng)控制單元傳遞電機(jī)的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器采用可編程邏輯器件和集成電路的純硬件搭建，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的高可靠性和實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)控制部分完成控制方式的選擇和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的通信，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。本文只討論驅(qū)動(dòng)器部分的設(shè)計(jì)，

　　如圖2所示，逆變器為6開關(guān)三相逆變橋，功率開關(guān)器件選用了。控制電路功能主要由芯片SG3525和CPLD完成，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制和換相邏輯綜合等。的驅(qū)動(dòng)電路選用了國際整流器(IR)公司生產(chǎn)的IR2130芯片。

2.2、控制電路設(shè)計(jì)

　　控制電路的PWM信號(hào)由集成芯片SG3525實(shí)現(xiàn)，SG3525是頻率固定的集成脈寬調(diào)制芯片，內(nèi)部由基準(zhǔn)電壓、振蕩器、誤差放大器、比較器、PWM鎖存器、分相器、欠電壓鎖定器、輸出級(jí)、軟起動(dòng)及關(guān)閉電路等組成。

　　圖3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖調(diào)制策略、邏輯控制和換相綜合等功能由MAX7000S系列器件EPM7128SL84完成，可對(duì)閥門的各種運(yùn)行狀態(tài)以及電機(jī)故障信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，輸出電機(jī)逆變器相應(yīng)開關(guān)器件的控制信號(hào)。圖3所示為CPLD邏輯綜合電路接口。下面對(duì)接口電路內(nèi)部各功能模塊和管腳功能做簡要說明。

圖3 CPLD邏輯綜合電路接口