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基于CPLD的电动阀门驱动装置控制器设计

2013/10/18 18:37:12      点击:
基于CPLD的电动阀门驱动装置控制器设计
来源:http://www.sitsti.com
阀门,概述,特点
发布日期:2013-5-25

   随着工业自动化的发展,传统的手工机械调节方式在很多应用场合中已暴露出明显弊端。例如在成品油库的油品收发过程中,大量的手动阀门大大增加了劳动强度,降低了劳动生产效率,准确性、可靠性、安全性往往依赖人的组织能力及个体素质。因此,实现管网系统工业自动化,对改善员工健康安全环保条件,提升生产效率,都具有重要的意义。
    开关阀门的基本功能是控制管网的调压和油路、水路和气路等的通断,是管网的关键部件。为使阀门开闭动作可靠,需要有大扭矩电驱动装置,且体积要小、重量要轻。目前国内所采用电动阀门驱动大都采用有刷电机。相比而言,永磁无刷直流电机(BrushlessDCMotor,BLDCM)具有功率密度高、转矩/电流比高、调速范围宽等优势,已广泛应用于国防和民用领域,永磁无刷直流电机的这些特点,使其更适用于阀门驱动。本文采用脉宽集成控制芯片和复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD),设计了一套基于无刷直流电机的开关阀电驱动装置。
    1 开关阀动力传动结构
    本开关阀动力装置由2套无刷直流电机系统组成,如图1所示,电机M只能单向旋转,主要作为阀门开启的动力源。电机N需要双向旋转,正向转动时完成阀门开启状态的锁定,电机反向转动时释放阀门的锁定状态,阀芯在反力的作用下完成关阀动作。阀门开启到位信号、阀门关闭到位信号以及阀门开启锁定状态信号都由光电开关检测。

图1 开关阀动力传动结构

图2 驱动系统框图

    2 驱动系统设计
    2.1 系统方案
    阀门要能实现自动、手动切换,同时要能实现远程控制和就地控制的转换。本方案中将电机的驱动器与系统控制单元分开设计,驱动器接收系统控制单元的控制信号,并向系统控制单元传递电机的工作状态,驱动器采用可编程逻辑器件和集成电路的纯硬件搭建,实现电机控制的高可靠性和实时性。系统控制部分完成控制方式的选择和远程节点的通信,由单片机实现。本文只讨论驱动器部分的设计,
    如图2所示,逆变器为6开关三相逆变桥,功率开关器件选用了。控制电路功能主要由芯片SG3525和CPLD完成,实现PWM调制和换相逻辑综合等。的驱动电路选用了国际整流器(IR)公司生产的IR2130芯片。
    2.2 控制电路设计
    控制电路的PWM信号由集成芯片SG3525实现,SG3525是频率固定的集成脉宽调制芯片,内部由基准电压、振荡器、误差放大器、比较器、PWM锁存器、分相器、欠电压锁定器、输出级、软起动及关闭电路等组成。
    图3驱动系统框图调制策略、逻辑控制和换相综合等功能由MAX7000S系列器件EPM7128SL84完成,可对阀门的各种运行状态以及电机故障信号进行逻辑处理,输出电机逆变器相应开关器件的控制信号。图3所示为CPLD逻辑综合电路接口。下面对接口电路内部各功能模块和管脚功能做简要说明。

图3 CPLD逻辑综合电路接口

    换相综合单元:根据无刷直流电机的霍尔逻辑信号,产生无刷直流电机三相六状态120°的工作方式。
    阀门运行状态识别单元:根据外部给定信号KF(开启阀门信号输入,上升沿脉冲有效)、GF(关闭阀门信号输入,上升沿脉冲有效)、KD(阀门开启到位信号输入,高电平有效)、GD(阀门关闭到位信号输入,高电平有效)和KS(阀门开启到位锁定信号输入,高电平有效)等辨识阀门的运行状态。
    PWM信号输入处理单元:接收SG3525的两路PWM脉冲信号,并对两路信号进行处理,产生内部使用的PWM控制周期信号。MPWM1和MPWM2为电机M对应的PWM信号输入;NPWM1和NPWM2为电机N对应的PWM信号输入。
    /MFLT,电机M系统存在故障时的故障信号输入,低电平有效。
    /NFLT,电机N系统存在故障时的故障信号输入,低电平有效。
    逆变器脉冲信号生成器:根据无刷直流电机的调制控制策略和阀门运行状态等,生成调制时的开关控制信号。HPWM_LON、HON_LPWM、PWM_ON、ON_PWM、HPWM_LPWM为五种无刷直流电机常用的PWM调制方式。HPWM_LON方式指上桥臂各功率器件在导通的120°进行PWM调制,下桥臂各功率器件在导通的120°保持恒通;HON_LPWM方式指下桥臂各功率器件在导通的120°进行PWM调制,上桥臂各功率器件在导通的120°保持恒通;PWM_ON方式指各功率器件在导通的前60°进行PWM调制,后60°保持恒通;ON_PWM方式指各功率器件在导通的前60°恒通,后60°进行PWM调制;HPWM_LPWM方式指上下桥臂各功率器件在导通的120°里同时进行PWM调制。本设计中采用调制方式。
    MHA、MHB和MHC为电机M的转子位置信号,MT1、MT2、MT3、MT4、MT5、MT6为电机M对应逆变器的控制信号;NHA、NHB和NHC为电机N的转子位置信号,NT1、NT2、NT3、NT4、NT5、NT6为电机N对应逆变器的控制信号。
    3 仿真分析
    在MAX+PLUSÒ环境下进行了仿真,仿真波形如图4所示。

图4 仿真波形

    由图可知,当开阀信号KF有效且各电机无故障时,电机M的驱动信号按MT1_MT2、MT2_MT3、,,MT5_MT6、MT6_MT1的顺序依次送出,并且按调制运行,所以电机M将在该驱动信号的作用下正向转动,实现开启阀门的动作。当阀门开启到位后,开启到位光电开关送出有效电平,即KD变为高电平,此时由图可见,电机M继续旋转,同时电机N也正向旋转,开始了阀门阀芯的锁定过程。当阀门开启锁定后,KS变为高电平,电机M和N同时停车,从而完成了开启阀门过程。
    当关阀信号GF有效且各电机无故障时,电机M保持停车状态,电机N开始反向旋转,开始了阀门的关阀过程。电机N反向转动,释放阀门的锁定状态,阀芯在反力的作用下完成关阀动作。阀门关闭到位后,GD信号变为高电平,电机N停止反向旋转,完成阀门关闭过程。
    上述仿真结果和动作原理完全一致,表明设计正确。在MAX+PLUSÒ环境下对器件下载程序,现场验证了阀门驱动器的功能。
    4 结论
    利用CPLD和SG3525设计了阀门动力装置的无刷直流电机控制器。使用MAX+PLUSÒ对CPLD所实现的控制功能和阀门状态进行了仿真,软件仿真和试验表明在阀门动力装置中采用CPLD作为逻辑处理单元,简化了系统结构、软件和硬件设计,提高了动力驱动系统的整体性能,并且降低了成本,提升了阀门的可靠性,通过扩展,可实现阀门的远程控制、防水击等功能,尤其适用于石油化工、油气储运等行业要求