阀门电动执行器控制模块设计

阀门电动执行器控制模块设计一、设计目的和要求电气控制技术综合实践是电气工程及其自动化专业学生在所有专业课结束时进行的一次课程设计,是一个综合运用专业知识的过程。其目的在于全面检验学生对专业基础课和专业课知识的掌握情况，提高知识综合运用能力和动手实践能力。设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、控制软件的设计、系统调试、性能测试等方面的要求，以便使学生掌握电气控制系统设计的总体思路和方法。二、设计内容及步骤1任务提出电动执行器是工业过程控制中的重要设备,它接收来自调节器的模拟信号（一般是4~20mA电流信号）或上位机的数字信号,将其转换为电动执行器相对应的机械位移（转角、直线或多转）并自动改变操作变量（调节阀、风门、挡板开度等），以达到对被调参数（温度、压力、流量、液位等）进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。本课题要求设计一个阀门电动执行器控制模块。1．1对象参数：（1）电动机为单相异步电动机，额定功率10W，额定电流0.16A，外接电容CBB61、1.5uF500V。（2）电源：220V±10%，50Hz。（3）环境温度：-25~80℃。（4）环境湿度：≤95%RH。1．2基本功能要求：（1）输入4~20mA或1~5V控制信号，相应阀门开度在0~100%之间变化。（2）输入信号失效，位置保持原位。（3）可就地手动操作。（4）死区可以调整。1．3扩展功能要求（选做）（1）过力矩保护。（2）行程限位保护。（3）定位误差：≤1%。（4）灵敏度：0.025%（1/4096）。三、阀门电动执行器控制模块工作原理电动执行器主要由控制器、电机和减速器三部分组成，由上位调节装置给出的1~5V电压信号Us，减速器输出的直线位移信号x（或角位移信号θ）经位置检测装置后形成位置反馈信号Uf，这两个信号经比较和放大后控制电机的运转，电机带动减速机构产生相应的直线位移或转角位移。四、硬件原理图电路总原理图1系统总体方案将给定的1V~5V直流信号与模拟阀门位置的电位器分压得到的电压进行比差动放大，根据差动放大结果分别接通PNP或者NPN两个不同的三极管，三极管接通后光耦得电，触点接通，220V电机驱动电路分别得电，使电机实现正转或者反转。为了判断给定信号是否小于1V，无法判定是线路断掉还是刚上电时信号还没给上，所以我们设定，当输入端的信号小于1V时，让比较器的输出端驱动光耦接通让其接地。这时，比较器的输出不再经过三极管，也就不会进行正反转。在前面电路中，我们要保证运放比较器的负端要得到5v可调的电压，用一个可调大小的电位器来当作电机里面用于负反馈确定电机当前位置的电位器。当运放比较器的正端输入大于负端时，输出为正电压，接通正转电路的三极管实现正转。反之，则接通反转电路实现电机反转。为了得到稳定的5v电源，我们用一个稳压二极管来稳压，并且通过一个同相比例放大电路来提高电路前段的带负载的能力。放大倍数为（Rf/R1）+1。若方案可行，我们将会规定这里的放大倍数为1.5倍左右。驱动主电路里的比较电路，我们选用反相比例运算电路，负端接稳压二极管经过同相比例放大电路后的电压可调范围约为1~5V。而正端则是接输入信号为1~5V的给定信号。反馈线路则是用比例和积分并联来确保基准电压。并且在反馈端接入电位器来调节放大倍数。因为是反相比例运算电路，其放大倍数为Rf/R1，我们这里大概放大倍数为48倍左右，并且有一定范围可调。之后用一个5.6V的稳压二极管和二极管串联，并且通过三极管的be两端0.7V的电压差，大概需要7v的电压来驱动光耦。4.1电源模块4.1.1±12v稳压电源两相220v交流电经过变压器降压，再经过整流滤波稳压后(电容起着滤波的作用、7812和7912起着稳压的作用)，使它输出较为稳定的+12V与-12V电压。为控制电路提供电源。4.1.2+12V电压稳压输出+5V用LM236精确三端稳压管进行稳压，输出稳定的5V电压，通过一个同相比例放大电路来提高电路前段的带负载的能力。4.1.3输入电压优化在输入端加了250Ω采样电阻，将电流信号变为电压信号。防止输入电压过大，加了一个12V的稳压管。4.2差分放大电路正端则是接输入信号为1~5V的可调给定信号。负端输入的为阀门反馈信号（通过齿轮调节电位器的反馈电压），反馈线路则是用比例和积分并联来确保基准电压。并且在反馈端接入1k电位器来调节放大倍数，也就是用来调节死区。4.3控制正反转P点电压通过一个5.6V的稳压二极管和二极管的串联，从而控制三极管通断，来控制电机正反转。稳压管D5和D7的作用是设置死区，为了防止电机受到干扰信号而频繁的启动停止，会影响电机的使用寿命。两个开关为手动控制开关，当开关闭合时三极管被短路，此时电机转动。4.4驱动电机电路以光电晶闸管来传输电路通断信息以避免信号之间干扰，起到控制电机正反转的效果，并用1k限流电阻来驱动发光二极管使之正常工作电阻R15与电容C7是一个缓冲电路，目的是保护双向进闸管。4.5低压保护电路用比较器判断输入电压是否小于1V，小于1V则电路P点接地，电路处于低压保护状态五、心得体会本次学习让我了解了电路的设计步骤，对电路设计有了一个初步的认识。在此感谢老师的指点，在老师的帮助下设计出来了一个能够正常稳定工作的电路。电路实验过程中发现了几处因为电阻参数设置不行而导致电路无法正常工作。比如电路的放大倍数过高，导致死区过小无法很好地进行控制。光耦合器件，因为采用10k电阻所以导致驱动电流太小无法正常工作。