閥門是管道輸送系統中的重要部件，廣泛應用于電力、化工、石油和冶金等行業，對系統壓力、流量和溫度等參數進行調節。電動執行機構是控制和驅動閥門的重要裝置，是對閥門實現遠程控制、集中控制和自動控制的一種必不可少的執行部件。隨著機電一體化技術的發展，電動執行機構在工業生產中體現出巨大的優勢。閥門電動執行機構的可靠工作離不開檢測模塊，性能好和工作穩定可靠的檢測模塊對閥門電動執行機構的安全穩定運行至關重要。

    2 系統工作原理

    閥門電動執行機構（圖1）主要由人機接口、控制器、電動執行器和檢測模塊組成。人機接口主要包括液晶顯示、按鍵輸入和遠程遙控輸入。電動執行器主要包括數字信號處理器（DSP） 、智能功率模塊（IPM）和異步電機。檢測模塊包括電源檢測、電機檢測和閥門檢測3部分。

    人機接口可設定運行參數，向控制器發送控制信號，同時可顯示裝置反饋的各種信息，完成對系統的實時監控。控制器接收人機接口發送來的控制信號，根據控制信號控制電動執行器工作，并實時檢測閥門的位置和行程等反饋信號，調整相應的控制指令，此外控制器可實時向人機界面發送各種工作狀態及故障診斷信號。電動執行器是主要的執行機構，DSP 接收控制器的指令，通過矢量控制技術驅動異步電機，電機輸出軸經齒輪減速后拖動閥門啟閉。

    檢測模塊分別對電源、電機和閥門的工作狀態進行檢測，并將檢測到的各種信號經過變換，變成控制器可以識別的數字信號。電源檢測主要進行電源缺相檢測，異步電機驅動電壓和電流檢測，IPM 模塊溫度檢測。電機檢測主要進行電機轉速檢測，電機轉子位置檢測，轉矩檢測，電機和齒輪箱的溫度檢測。閥門檢測主要進行閥門位置檢測，閥門行程檢測。電源檢測和電機檢測的信號反饋給DSP進行處理，閥門檢測的信號反饋給控制器MSP430進行處理。

圖1 閥門電動執行機構的結構

    3 檢測模塊硬件設計

    檢測功能主要由檢測電路和主控制器及電動執行器中的DSP實現。

    3.1 主控制器

    主控制器采用16位超低功耗、精簡指令集單片機MSP430。單片機應處理能力強，運算速度快，片內集成FLASH存儲器、16位A/D和通信接口等。

    3.2 電動執行器DSP

    電動執行器DSP采用定點32位芯片TMS320F2812。芯片應運算能力強，并具有豐富的外設。

    3.3 電源檢測

    電源檢測包括電源缺相檢測、電壓檢測、電流檢測和IPM模塊溫度檢測。

    （1）電源缺相檢測

    電源缺相檢測主要由光耦和74LS123實現，74LS123是一種雙可再觸發單穩態多諧振蕩器。取三相電源的A、C相為一組，B、C相為一組，分別接入兩個光耦的輸入端，光耦的輸出接到74LS123上。由74LS123的輸出狀態可判斷三相電源的缺相情況。

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    （2）電壓檢測

    電壓檢測采用霍爾電壓傳感器模塊VSM025A，傳感器按照一定的比例將輸入的三相電壓變至輸出，輸出的電壓信號經濾波和信號調理后，變成0～ 3.3V的電壓信號接入DSP的A/D采樣輸入通道，從而獲得異步電機三相輸入電壓的反饋信號。

    （3）電流檢測

    電流檢測采用電流傳感器LTS25－NP，傳感器按照一定的比例將IPM輸出的三相電流變至副邊，輸出的電流信號經過采樣電阻轉換成電壓信號，再經過濾波和適當的信號調理后，變成0～3.3V范圍內的電壓信號接入DSP的A/D采樣輸入通道，從而獲得異步電機三相定子電流的反饋信號。

    （4）IPM模塊溫度檢測

    IPM 模塊溫度檢測采用單總線數字溫度傳感器DS18B20，該傳感器無需外部元件，可用單根數據總線供電，測溫精度為0.5℃ 。測量結果為可編程的分辨率為9～ 12位的數字信號，其數據總線直接接到DSP的I/O口上，供DSP讀取溫度信號。

    3.4 電機檢測

    電機檢測包括電機轉速檢測、轉子位置檢測、轉矩檢測、電機和齒輪箱的溫度檢測。

    （1）電機轉速檢測

    電機轉速通過光電編碼器檢測，本系統采用M法測速原理，及在某一采樣時間內，通過對脈沖的計數來確定電機轉速的大小。光電編碼器輸出兩路相位相差90°的脈沖信號，這兩路脈沖信號接入DSP的正交編碼電路（QEP）檢測脈沖信號的上升沿，計算電機的轉速。

    （2）電機轉子位置檢測

    電機轉子位置檢測采用高精度的電位器，電位器輸出信號接到DSP的A/D采樣通道上，由DSP計算電機轉子的位置。

    （3）轉矩檢測

    轉矩檢測采用集成的轉矩傳感器，傳感器將執行機構的輸出轉矩直接轉換成相應的電信號，該輸出信號經過信號調理后轉換成DSP的A/D輸入端允許的輸入電壓范圍，經A/D轉換后計算出實際的轉矩值。

    （4）電機和齒輪箱的溫度檢測

    電機和齒輪箱的溫度檢測方法與IPM模塊溫度檢測相同。

    3.5 閥門檢測

    閥門檢測包括閥門位置檢測和閥門行程檢測。

    （1）閥門位置檢測

    閥門位置檢測采用高精度導電塑料電位器，其分辨率高，不存在電磁傳感器的磁滯特性問題。電位器的兩端加5V直流電，在電機轉動時，傳動裝置帶動電位器滑動，改變電位器的電阻值，使其動觸點輸出0～5V的電壓，對應閥門的開度。電位器的輸出信號直接接到MSP430單片機的A/D輸入通道。

    （2）閥門行程檢測

    閥門行程檢測采用多圈絕對值編碼器，編碼器的輸出直接接到單片機MSP430的I/O口上，單片機讀取二進制碼，通過計算得到閥門的行程數值。

    4 檢測模塊軟件設計

    檢測模塊功能的良好實現，不僅需要合理的硬件設計，軟件設計對模塊的工作性能也有很大影響。軟件設計過程中除考慮靈活性、可靠性和通用性之外，還要保證很好的實時性。由于系統采用主控制器加DSP的硬件設計，因此需要分別設計各個微處理器的程序。

    4.1 MSP430主程序設計

    MSP430單片機負責電動執行機構的主控任務，因此在主程序中主要進行系統的初始化、控制方式選擇、閥門位置和行程檢測以及顯示等工作，并將控制指令及運行參數通過同步串行口送入DSP中，具體流程如圖2所示。

圖2 MSP430主程序流程圖

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    （1）系統初始化

    系統上電后，首先進行初始化設置，包括I/O初始化，A/D初始化，SPI初始化等，而后從EEP-ROM中讀取上次運行設定的參數值，包括行程初值、終值、速度、力矩以及控制方式選擇標志位，并將這些參數存入數據寄存器中。

    （2）選擇控制方式

    MSP430 根據控制方式標志，進入相應的程序分支，可選控制方式有本地遙控控制、手操器控制以及標準4～20mA電流信號控制。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。

    （3）位置和行程檢測

    采樣位置傳感器上的電壓信號，獲得執行機構當前位置，與給定位置進行比較，根據設定的死區范圍，修改速度參數以及運行標志位。

    （4）發送數據將命令及參數進行串行發送。

    （5）顯示及故障處理

    每個分支的循環中采樣位置反饋信號與上次采樣值比較，其差值轉化為脈沖數驅動指針旋轉，實時跟隨閥位，直到電機停止，指針便指示當前位置，掉電后依然能夠保持，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。

    4.2 DSP主程序設計

    DSP主要負責按照控制指令驅動電機工作，且實時檢測電源和電機的工作狀態，調節控制指令并判斷是否出現故障。

    （1）電源與電機檢測

    DSP 通過其A/D采樣通道檢測IPM電壓、電流、電機轉子位置和轉矩，采樣時連續采樣4次后求平均值，以此濾除部分干擾。電機轉速的檢測由DSP的正交編碼電路實現，通過在一段時間內記錄編碼器輸出脈沖的上升沿個數，換算出電機的轉速。缺相檢測僅需DSP檢測接入其I/O口的檢測電路高低電平，來判斷缺相情況。溫度檢測由DSP直接讀取溫度傳感器的數字信號，再換算成溫度值。

    （2）故障判斷

    DSP通過檢測電源和電機的各工作參數，依據預先設定的參數上限或下限，判斷當前閥門電動執行機構是否出現故障，以及故障的類型，并生成相應的狀態指令，以發送到主控制器進行處理。

    （3）數據發送

    DSP完成故障判斷后，將故障判斷結果的狀態指令發送到主控制器，由主控制器進行顯示并采取相應動作。

    5 結語

    閥門電動執行機構的檢測模塊在系統的硬件和軟件設計上充分考慮了工業現場的實際環境，采取了完善的抗干擾措施和故障保護措施，大大地提高了系統的可靠性，使系統能適用于各種工業現場的環境。