基于CPLD的电动阀门驱动装置控制器设计

    0 引言
    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。