基于CPLD的電動閥門驅(qū)動裝置控制器設(shè)計(jì)
隨著工業(yè)自動化的發(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，大量的手動閥門大大增加了勞動強(qiáng)度，降低了勞動生產(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，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)工業(yè)自動化，對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。為使閥門開閉動作可靠，需要有大扭矩電驅(qū)動裝置，且體積要小、重量要輕。目前國內(nèi)所采用電動閥門驅(qū)動大都采用有刷電機(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，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。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)動裝置。
1 開關(guān)閥動力傳動結(jié)構(gòu)
本開關(guān)閥動力裝置由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力源。電機(jī)N需要雙向旋轉(zhuǎn)，正向轉(zhuǎn)動時(shí)完成閥門開啟狀態(tài)的鎖定，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動時(shí)釋放閥門的鎖定狀態(tài)，閥芯在反力的作用下完成關(guān)閥動作。閥門開啟到位信號、閥門關(guān)閉到位信號以及閥門開啟鎖定狀態(tài)信號都由光電開關(guān)檢測。
圖1 開關(guān)閥動力傳動結(jié)構(gòu)
圖2 驅(qū)動系統(tǒng)框圖
2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)方案
閥門要能實(shí)現(xiàn)自動、手動切換，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)動器與系統(tǒng)控制單元分開設(shè)計(jì)，驅(qū)動器接收系統(tǒng)控制單元的控制信號，并向系統(tǒng)控制單元傳遞電機(jī)的工作狀態(tài)，驅(qū)動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�？刂齐娐饭δ苤饕尚酒琒G3525和CPLD完成，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制和換相邏輯綜合等。的驅(qū)動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、軟起動及關(guān)閉電路等組成。
圖3驅(qū)動系統(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，可對閥門的各種運(yùn)行狀態(tài)以及電機(jī)故障信號進(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。圖3所示為CPLD邏輯綜合電路接口。下面對接口電路內(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
換相綜合單元：根據(jù)無刷直流電機(jī)的霍爾邏輯信號，產(chǎn)生無刷直流電機(jī)三相六狀態(tài)120°的工作方式。
閥門運(yùn)行狀態(tài)識別單元：根據(jù)外部給定信號KF（開啟閥門信號輸入，上升沿脈沖有效）、GF（關(guān)閉閥門信號輸入，上升沿脈沖有效）、KD（閥門開啟到位信號輸入，高電平有效）、GD（閥門關(guān)閉到位信號輸入，高電平有效）和KS（閥門開啟到位鎖定信號輸入，高電平有效）等辨識閥門的運(yùn)行狀態(tài)。
PWM信號輸入處理單元：接收SG3525的兩路PWM脈沖信號，并對兩路信號進(jìn)行處理，產(chǎn)生內(nèi)部使用的PWM控制周期信號。MPWM1和MPWM2為電機(jī)M對應(yīng)的PWM信號輸入；NPWM1和NPWM2為電機(jī)N對應(yīng)的PWM信號輸入。
/MFLT，電機(jī)M系統(tǒng)存在故障時(shí)的故障信號輸入，低電平有效。
/NFLT，電機(jī)N系統(tǒng)存在故障時(shí)的故障信號輸入，低電平有效。
逆變器脈沖信號生成器：根據(jù)無刷直流電機(jī)的調(diào)制控制策略和閥門運(yùn)行狀態(tài)等，生成調(diào)制時(shí)的開關(guān)控制信號。HPWM_LON、HON_LPWM、PWM_ON、ON_PWM、HPWM_LPWM為五種無刷直流電機(jī)常用的PWM調(diào)制方式。HPWM_LON方式指上橋臂各功率器件在導(dǎo)通的120°進(jìn)行PWM調(diào)制，下橋臂各功率器件在導(dǎo)通的120°保持恒通；HON_LPWM方式指下橋臂各功率器件在導(dǎo)通的120°進(jìn)行PWM調(diào)制，上橋臂各功率器件在導(dǎo)通的120°保持恒通；PWM_ON方式指各功率器件在導(dǎo)通的前60°進(jìn)行PWM調(diào)制，后60°保持恒通；ON_PWM方式指各功率器件在導(dǎo)通的前60°恒通，后60°進(jìn)行PWM調(diào)制；HPWM_LPWM方式指上下橋臂各功率器件在導(dǎo)通的120°里同時(shí)進(jìn)行PWM調(diào)制。本設(shè)計(jì)中采用調(diào)制方式。
MHA、MHB和MHC為電機(jī)M的轉(zhuǎn)子位置信號，MT1、MT2、MT3、MT4、MT5、MT6為電機(jī)M對應(yīng)逆變器的控制信號；NHA、NHB和NHC為電機(jī)N的轉(zhuǎn)子位置信號，NT1、NT2、NT3、NT4、NT5、NT6為電機(jī)N對應(yīng)逆變器的控制信號。
3 仿真分析
在MAX+PLUSò環(huán)境下進(jìn)行了仿真，仿真波形如圖4所示。
圖4 仿真波形
由圖可知，當(dāng)開閥信號KF有效且各電機(jī)無故障時(shí)，電機(jī)M的驅(qū)動信號按MT1_MT2、MT2_MT3、，，MT5_MT6、MT6_MT1的順序依次送出，并且按調(diào)制運(yùn)行，所以電機(jī)M將在該驅(qū)動信號的作用下正向轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)開啟閥門的動作。當(dāng)閥門開啟到位后，開啟到位光電開關(guān)送出有效電平，即KD變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)由圖可見，電機(jī)M繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)電機(jī)N也正向旋轉(zhuǎn)，開始了閥門閥芯的鎖定過程。當(dāng)閥門開啟鎖定后，KS變?yōu)楦唠娖�，電機(jī)M和N同時(shí)停車，從而完成了開啟閥門過程。
當(dāng)關(guān)閥信號GF有效且各電機(jī)無故障時(shí)，電機(jī)M保持停車狀態(tài)，電機(jī)N開始反向旋轉(zhuǎn)，開始了閥門的關(guān)閥過程。電機(jī)N反向轉(zhuǎn)動，釋放閥門的鎖定狀態(tài)，閥芯在反力的作用下完成關(guān)閥動作。閥門關(guān)閉到位后，GD信號變?yōu)楦唠娖�，電機(jī)N停止反向旋轉(zhuǎn)，完成閥門關(guān)閉過程。
上述仿真結(jié)果和動作原理完全一致，表明設(shè)計(jì)正確。在MAX+PLUSò環(huán)境下對器件下載程序，現(xiàn)場驗(yàn)證了閥門驅(qū)動器的功能。
4 結(jié)論
利用CPLD和SG3525設(shè)計(jì)了閥門動力裝置的無刷直流電機(jī)控制器。使用MAX+PLUSò對CPLD所實(shí)現(xiàn)的控制功能和閥門狀態(tài)進(jìn)行了仿真，軟件仿真和試驗(yàn)表明在閥門動力裝置中采用CPLD作為邏輯處理單元，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件和硬件設(shè)計(jì)，提高了動力驅(qū)動系統(tǒng)的整體性能，并且降低了成本，提升了閥門的可靠性，通過擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程控制、防水擊等功能，尤其適用于石油化工、油氣儲運(yùn)等行業(yè)要求
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