一種電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陶冶博，郜峰，李廷，鄭潔霽，周易通

（1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036；2.浙江佳樂(lè)科儀股份有限公司，浙江嘉興，314300）

0 引言

核電閥門是核電站中應(yīng)用較為廣泛的水壓設(shè)備，它連接整個(gè)核電站的300余個(gè)系統(tǒng)，是核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。核電廠運(yùn)行人員在日常工作中需要操作大量的手動(dòng)閥門，手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉閥門將消耗運(yùn)行人員大量的工作時(shí)間和精力，尤其是對(duì)具有上百圈行程的閥門進(jìn)行操作，以及在核電廠在進(jìn)行定期大型檢修時(shí)，運(yùn)行人員需要操作大量的閥門。

電動(dòng)閥門操作機(jī)械手通過(guò)直流電機(jī)控制閥門適配器的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)閥門的開(kāi)關(guān)功能?，F(xiàn)有的電動(dòng)閥門操作機(jī)械手由于采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前的輸出轉(zhuǎn)矩，一旦轉(zhuǎn)矩過(guò)大，容易導(dǎo)致內(nèi)部電機(jī)燒毀以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞。同時(shí)，運(yùn)行人員在操作時(shí)需要記錄閥門旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，或者指定對(duì)閥門旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

針對(duì)上述這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)閥門操作機(jī)械手的控制系統(tǒng)，能夠?qū)﹂y門操作機(jī)械手的轉(zhuǎn)矩和圈數(shù)進(jìn)行測(cè)量與控制。根據(jù)用戶的需求，當(dāng)轉(zhuǎn)矩過(guò)大時(shí)，或者已經(jīng)旋轉(zhuǎn)給定的圈數(shù)時(shí)，能夠停止電動(dòng)閥門操作機(jī)械手的工作。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)，包括電源、調(diào)速開(kāi)關(guān)、顯示控制模塊、測(cè)速傳感器、直流電機(jī)。其中，電源采用makita的18V鋰電池BL1850B。調(diào)速開(kāi)關(guān)采用博世的充電手鉆開(kāi)關(guān)GSR18-2，該調(diào)速開(kāi)關(guān)通過(guò)PWM斬波的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。測(cè)速傳感器采用霍爾元件和帶磁鐵的圓盤實(shí)現(xiàn)。顯示控制模塊是本電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)的核心部分，具有直流電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)速信息的采集功能。該模塊可以通過(guò)上述數(shù)據(jù)計(jì)算出機(jī)械手內(nèi)部直流電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩以及已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，并根據(jù)用戶設(shè)定的最大輸出轉(zhuǎn)矩和需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，對(duì)直流電機(jī)的通斷進(jìn)行控制。閥門操作機(jī)械手的數(shù)據(jù)可以在液晶顯示屏上顯示，用戶可以通過(guò)電阻式觸摸屏進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)的核心部分為顯示與控制模塊，其內(nèi)部包括：繼電器、處理器、直流電機(jī)電流檢測(cè)模塊、直流電機(jī)電壓檢測(cè)模塊、液晶顯示屏、電阻式觸摸輸入。處理器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103單片機(jī)，它的最高工作頻率為72MHz，具有豐富的資源包括：定時(shí)器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART等。內(nèi)部集成了2個(gè)12位的us級(jí)的AD轉(zhuǎn)換器（16通道），AD的測(cè)量范圍為0-3.6V，具有雙采樣和保持能力。滿足電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

■2.1 直流電機(jī)電壓檢測(cè)模塊

圖2 顯示控制模塊局部示意圖

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算需要對(duì)直流電機(jī)的電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，直流電機(jī)往往采用PWM方式進(jìn)行調(diào)速，導(dǎo)致實(shí)際電機(jī)上的電壓波形為方波。此外由于調(diào)速開(kāi)關(guān)可以對(duì)直流電機(jī)的方向進(jìn)行控制，使得直流電機(jī)供電電壓的正負(fù)方向會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化。因此設(shè)計(jì)如圖3所示的差分對(duì)稱結(jié)構(gòu)的直流電機(jī)電壓信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)首先通過(guò)RC低通濾波器進(jìn)行平均值的轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換，最后通過(guò)電阻分壓，把電壓調(diào)整到適合單片機(jī)ADC采集的范圍。電路如圖3所示。

圖3 直流電機(jī)電壓檢測(cè)模塊電路圖

■2.2 直流電機(jī)電流檢測(cè)模塊

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算還需要對(duì)直流電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，本文采用Allegro公司的霍爾電流傳感器芯片ACS712實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)電流的采集。該芯片基于霍爾感應(yīng)的原理，芯片內(nèi)部由一個(gè)線性霍爾傳感器電路和安裝在集成電路表面的銅箔兩部分組成。當(dāng)電流流過(guò)銅箔時(shí)，銅箔周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，霍爾傳感器通過(guò)霍爾效應(yīng)在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生線性的電壓信號(hào)。最后通過(guò)芯片內(nèi)部的信號(hào)調(diào)理電路輸出可以被單片機(jī)ADC直接采集的電壓信號(hào)。電路如圖4所示。

圖4 直流電機(jī)電流檢測(cè)模塊電路圖

■2.3 繼電器模塊

電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)通斷的控制。本文采用繼電器實(shí)現(xiàn)該功能，繼電器相比場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)電流的方向沒(méi)有限制，更適合在本設(shè)計(jì)中使用。通過(guò)在繼電器線圈并聯(lián)一個(gè)1N4148二極管實(shí)現(xiàn)繼電器斷開(kāi)時(shí)釋放線圈中的能量。通過(guò)8050三極管實(shí)現(xiàn)繼電器驅(qū)動(dòng)電路。電路如圖5所示。

圖5 繼電器模塊電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)，具有如下功能：用戶通過(guò)調(diào)速開(kāi)關(guān)控制直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及旋轉(zhuǎn)方向，用戶可以通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)觀測(cè)輸出轉(zhuǎn)矩以及閥門已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。用戶可以輸入閥門操作機(jī)械手當(dāng)前允許最大輸出的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩超過(guò)設(shè)定值時(shí)，該閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)將切斷直流電機(jī)的電源。用戶可以輸入閥門需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)閥門旋轉(zhuǎn)給定圈數(shù)時(shí)，該閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)也會(huì)切斷直流電機(jī)的電源。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

■3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

由于閥門內(nèi)部生銹或者有壓力，閥門在操作時(shí)，轉(zhuǎn)矩可能突然增大導(dǎo)致操作手內(nèi)部電機(jī)堵轉(zhuǎn)，使得電機(jī)燒毀。為了保護(hù)電機(jī)，控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。操作手采用的是直流電機(jī)，轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下：

其中，I為電機(jī)的工作電流，單位是安培（A），U為電機(jī)的工作電壓，單位是伏特（V），n為閥門適配器轉(zhuǎn)速，單位是圈每分鐘（r/min），R為電機(jī)線圈內(nèi)阻，單位是歐姆（Ω）。

■3.2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速/圈數(shù)測(cè)量

為了獲得直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小以及電機(jī)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，都需要獲得直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，本文通過(guò)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。所使用的傳感器電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生15個(gè)脈沖信號(hào)，測(cè)得脈沖信號(hào)的頻率就可以換算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

本文采用等精度法對(duì)方波的頻率進(jìn)行測(cè)量。常用的頻率測(cè)量方法有三種：直接測(cè)頻法，周期法和等精度測(cè)頻法。直接測(cè)頻法只適合測(cè)高頻信號(hào)。周期法只適合測(cè)較低頻率的信號(hào)。等精度測(cè)頻的原理如下：首先需要一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同步的閘門，同時(shí)對(duì)被測(cè)信號(hào)和時(shí)基脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。兩個(gè)計(jì)數(shù)值之比即等于其頻率比。此方法可消除被測(cè)計(jì)數(shù)器的正負(fù)一個(gè)脈沖的誤差，使誤差與被測(cè)頻率大小無(wú)關(guān)，達(dá)到等精度測(cè)頻。由于電動(dòng)閥門操作機(jī)械手在不同閥門上使用時(shí)，旋轉(zhuǎn)的速度變化范圍較大，導(dǎo)致霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)頻率變化范圍較大，而頻率的測(cè)量精度直接決定轉(zhuǎn)矩的測(cè)量精度，因此，本文采用等精度法進(jìn)行頻率的測(cè)量。

■3.3 用戶交互界面

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)的用戶交互界面如圖7所示。

圖7 用戶交互界面

左上角顯示當(dāng)前設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩超過(guò)該值時(shí)將觸發(fā)斷電保護(hù)。該值可通過(guò)點(diǎn)擊左下角“轉(zhuǎn)矩設(shè)置”按鈕進(jìn)行設(shè)置。中間為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩表，指針顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)矩信息（可顯示0-300Nm），下方為數(shù)字顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)矩信息以及當(dāng)前已旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。右上角顯示剩余的圈數(shù)，如果用戶沒(méi)有設(shè)定接下來(lái)需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，則顯示“剩余∞圈”表示無(wú)限圈?！瓣P(guān)于”按鈕，用于顯示產(chǎn)品相關(guān)信息。“清零”按鈕，點(diǎn)擊后實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩表下方顯示的圈數(shù)將清零。左下角“轉(zhuǎn)矩設(shè)置”按鈕，點(diǎn)擊可進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩保護(hù)值的設(shè)定。右下角“圈數(shù)設(shè)置”按鈕，點(diǎn)擊可進(jìn)入指定圈數(shù)旋轉(zhuǎn)的設(shè)定界面。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)際制作出來(lái)并安裝在電動(dòng)閥門操作機(jī)械手上，如圖8所示。

圖8 實(shí)物圖

通過(guò)實(shí)際測(cè)試和使用，本文設(shè)計(jì)與制作的控制系統(tǒng)除了具備對(duì)電動(dòng)閥門操作機(jī)械手基本的速度控制和方向控制功能以外，還可以對(duì)操作機(jī)械手的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩以及閥門已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)機(jī)械手的輸出轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩或者已經(jīng)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)均可以快速的停止閥門操作機(jī)械手的工作。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)閥門操作機(jī)械手在使用過(guò)程中，容易因?yàn)檗D(zhuǎn)矩過(guò)大導(dǎo)致?lián)p壞的問(wèn)題。另外，該電動(dòng)閥門操作機(jī)械手控制系統(tǒng)還具有閥門圈數(shù)的記錄及控制功能，使用更加便捷。