切断阀控制系统设计

        0 引言
        输气管、输油管及输水管等组成的管道作业网络中，经常要在关键位置安装紧急切断阀装置，防止意外情况下管道内物质外泄。最早采用的切断阀是机械式结构，每次阀体的关断和打开都需要工作人员现场手工操作，过程复杂，而且因为往返途中耗费大量时间，不利于紧急事故的及时处理。随着气动技术在工业的应用，出现了气体推动的切断阀，在每个阀体旁边安置一个气罐，由电磁继电器控制气体通道实现阀门动作，气动阀与机械阀相比还增加了远程控制功能，操作人员通过中央控制室的电脑即可远程控制现场。理论情况下气罐的气体可供阀门工作1-3年，但实际上，受机械加工精度影响，仅3个月多气体就泄露完了。因此需要设计一款针对户外恶劣环境的，具有远程集中控制功能的切断阀控制系统。
        1 功能概述
        切断阀安装位置多在荒郊野外，环境恶劣，系统每部分的设计都得考虑使用现场的具体情况。在电源方面，因无法使用工业电源，本系统设计中选用了太阳能电源；在动力部件选择上采用了低电压、高效能、低成本、易维护的无刷直流电机；远程控制方面采用了工业标准的485通信协议，这样易于与管道上的流量计、压力计等设备兼容组成数字化控制系统。整个控制系统的结构框图如下图1所示：

图1 控制系统结构框图

        本系统用TI公司的LM3S615作为主控芯片，控制三相带位置传感器的BLDC，整个系统采用闭环控制，分别调节转速和电流，两者之间实行串级联接，也就是把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出控制功率开关管的触发。
        2 主要功能单元的硬件设计
        2.1 主回路部分设计
        主回路部分实现对电机转向和速度的控制，这部分包括功率驱动和全桥逆变。逆变电路采用绕组利用率高、力矩脉动小的三相H桥电路组成。逆变器功率开关管是主电路的核心部件，考虑到工作电压、工作电流及功耗等因素，本系统中逆变桥电路选用IRFI3205，这是一款全控型MOSFET管，其主要参数如下，VDSS=55V、RDS（ON）=8mΩ、ID=56A留的裕量较大。主回路电路原理图如图2所示。

图2 主回路电路原理图

        图中C46，C47，C48是自举电容，取值10uF，D8，D9，D10是自举二极管，常选用超快恢复二极管，考虑到反向电压不高选用肖特基二极管（1N5819），RS是电流取样电阻，因芯片内部电流比较器采用0.5V基准电源，本系统设计最大过电流为15A，得到RS取0.033欧/10W。R51，C45组成RC低通滤波器，防止干扰脉冲误动作。Rs、Cs、Ds组成了缓冲电路。R57- R62作用是对MOS管栅极极间电容放电。
        2.2 电流检测保护电路
        常见的检测电流方法包括电流互感法、霍尔电流传感器法以及电阻采样法等。本系统所采用的电流检测电路如图3所示。通过串接在直流母线上的精密取样电阻RS将主回路电流信号转化为电压信号，该电压信号经过R51、C45组成的低通滤波器后分为两路，一路送到IR2130的ITRIP端，用做过电流硬件保护；另一路送入由LM324组成的放大电路调理后得到0-3V范围的模拟电压量，该电压信号经稳压二极管D6限幅后送入LM3S8962的模/数转换通道ADC0。

图3 电流检测电路

        2.3 电压检测保护电路
        本设计中采用的是电阻分压方式检测电压，精密电阻和精密电位器组成分压取样电路，取出的电压经过低通滤波，再经一级电压跟随器后送到ADC端口。在主程序中通过轮询读取电压值判断直流母线电压是否正常，一旦发现异常情况，关闭PWM输出。
        2.4 位置速度检测电路
        无刷直流电机内部带有三个霍尔位置传感器，电机在旋转时，通过对三个位置的逻辑判断，做出正确的换相，同时，通过计算两个换相脉冲之间的时间差，还可以间接的求出电机旋转速度，为速度环控制提供数据。由于霍尔元件是集电极开路输出，其输出信号经过上拉电阻得到位置方波信号。考虑到霍尔输出信号电平与主控制芯片电平的不匹配，霍尔输出位置信号经过了由光耦组成的隔离电路，再经过由RC组成的低通滤波器及两级施密特非门整形后送入芯片内部。
        2.5 通信模块及地址位置检测模块
        用一片MAX485和LM3S615内部的232模块，完成了与上位机之间的数据通信功能。地址码由一个8位拨码开关确定，在阀体上安装有两个位置检测用的光电隔离器，用于阀门状态的判断。
        3 软件设计
        根据系统实现的功能划分，软件设计分为：主程序、位置检测中断子程序、电压/电流检测中断子程序、定时中断子程序及通信子程序等。限于篇幅，这里仅介绍一部分。
        3.1 主程序
        主程序中实现系统初始化，开启系统全局中断，调用电机预启动程序及程序主循环体。初始化包括头文件的加载、变量的定义、时钟模块配置、ADC模块配置、定时器模块配置、PWM模块的配置及通信模块的配置等。电机上电瞬间处于静止状态，没有位置信号供换相判断，因此必须预启动让电机转动起来。隔上一定时间后，再检测电机状态并作相应控制。
        3.2 位置检测中断子程序
        这部分程序检测位置中断信号，一方面决定下一时间的换相逻辑，另一方面计算当前转速。电机系统是一个大惯性系统，尤其速度环滞后现象比较严重，若速度调节过于频繁易引起系统振荡，因此软件中采用与定时器配合的方式，每隔上一段固定时间，对多次计算的转速值求一平均，再以此平均值做为转速的测量值对电机做出相应的调节控制。
        3.3 通信子程序
        芯片采用波特率9600，8位数据位，1位起始位，1位停止位的串行通信方式，数据以帧的格式传送，帧的格式分为两种：一种帧是用于传送命令或状态，由六个字节组成，另一种帧用于传送数据，由7个字节组成，定义如表1所示：

表1 命令或状态帧格式定义

        4 结语
        以LM3S615为控制核心的切断阀控制系统，具有功能完善，控制精度高等优点，经过长期的实验运行，稳定可靠，胜任了现场的需求。