基于CPLD的电动阀门驱动装置控制器设计(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油西北销售公司 作者:李榕

  电动阀门动力装置的控制特性和可靠性对阀门和整个管网系统的自动化控制具有重要影响。该文根据开关阀的动作机理和无刷直流电机的工作原理,利用脉宽调制专用集成芯片和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD),设计了开关阀动力装置的无刷直流电机控制器。软件仿真和试验表明,驱动装置结构简单,调试方便,可靠性高,适合于炼油化工、油气储运、水利等行业要求。

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,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为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。

基于CPLD的电动阀门驱动装置控制器设计

图1 开关阀动力传动结构

基于CPLD的电动阀门驱动装置控制器设计

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。

基于CPLD的电动阀门驱动装置控制器设计

图3 CPLD逻辑综合电路接口

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