一种电动阀门操作机械手控制系统的设计与实现

陶冶博，郜峰，李廷，郑洁霁，周易通

（1.嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036；2.浙江佳乐科仪股份有限公司，浙江嘉兴，314300）

0 引言

核电阀门是核电站中应用较为广泛的水压设备，它连接整个核电站的300余个系统，是核电站安全运行的关键结构。核电厂运行人员在日常工作中需要操作大量的手动阀门，手动开启和关闭阀门将消耗运行人员大量的工作时间和精力，尤其是对具有上百圈行程的阀门进行操作，以及在核电厂在进行定期大型检修时，运行人员需要操作大量的阀门。

电动阀门操作机械手通过直流电机控制阀门适配器的旋转，从而实现阀门的开关功能。现有的电动阀门操作机械手由于采用开环结构，无法实时获取当前的输出转矩，一旦转矩过大，容易导致内部电机烧毁以及机械结构的损坏。同时，运行人员在操作时需要记录阀门旋转的圈数，或者指定对阀门旋转的圈数。

针对上述这种情况，本文设计了一种电动阀门操作机械手的控制系统，能够对阀门操作机械手的转矩和圈数进行测量与控制。根据用户的需求，当转矩过大时，或者已经旋转给定的圈数时，能够停止电动阀门操作机械手的工作。

1 系统整体设计

本文设计的一种电动阀门操作机械手控制系统，包括电源、调速开关、显示控制模块、测速传感器、直流电机。其中，电源采用makita的18V锂电池BL1850B。调速开关采用博世的充电手钻开关GSR18-2，该调速开关通过PWM斩波的方式实现对直流电机进行调速控制。测速传感器采用霍尔元件和带磁铁的圆盘实现。显示控制模块是本电动阀门操作机械手控制系统的核心部分，具有直流电机电压、电流、转速信息的采集功能。该模块可以通过上述数据计算出机械手内部直流电机的实时转矩以及已经旋转的圈数，并根据用户设定的最大输出转矩和需要旋转的圈数，对直流电机的通断进行控制。阀门操作机械手的数据可以在液晶显示屏上显示，用户可以通过电阻式触摸屏进行相关参数的设置。电动阀门操作机械手控制系统原理框图如图1所示。

图1 电动阀门操作机械手控制系统原理框图

2 硬件电路设计

本文设计的一种电动阀门操作机械手控制系统的核心部分为显示与控制模块，其内部包括：继电器、处理器、直流电机电流检测模块、直流电机电压检测模块、液晶显示屏、电阻式触摸输入。处理器采用意法半导体公司的STM32F103单片机，它的最高工作频率为72MHz，具有丰富的资源包括：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART等。内部集成了2个12位的us级的AD转换器（16通道），AD的测量范围为0-3.6V，具有双采样和保持能力。满足电动阀门操作机械手控制系统的设计要求。

■2.1 直流电机电压检测模块

图2 显示控制模块局部示意图

直流电机的转矩计算需要对直流电机的电压和电流进行实时检测，直流电机往往采用PWM方式进行调速，导致实际电机上的电压波形为方波。此外由于调速开关可以对直流电机的方向进行控制，使得直流电机供电电压的正负方向会随时发生变化。因此设计如图3所示的差分对称结构的直流电机电压信号调理电路。信号首先通过RC低通滤波器进行平均值的转换，然后通过电压跟随器进行阻抗变换，最后通过电阻分压，把电压调整到适合单片机ADC采集的范围。电路如图3所示。

图3 直流电机电压检测模块电路图

■2.2 直流电机电流检测模块

直流电机的转矩计算还需要对直流电机的电流进行实时检测，本文采用Allegro公司的霍尔电流传感器芯片ACS712实现直流电机电流的采集。该芯片基于霍尔感应的原理，芯片内部由一个线性霍尔传感器电路和安装在集成电路表面的铜箔两部分组成。当电流流过铜箔时，铜箔周围会产生磁场，霍尔传感器通过霍尔效应在磁场的作用下，产生线性的电压信号。最后通过芯片内部的信号调理电路输出可以被单片机ADC直接采集的电压信号。电路如图4所示。

图4 直流电机电流检测模块电路图

■2.3 继电器模块

电动阀门操作机械手控制系统需要实现对直流电机通断的控制。本文采用继电器实现该功能，继电器相比场效应晶体管对电流的方向没有限制，更适合在本设计中使用。通过在继电器线圈并联一个1N4148二极管实现继电器断开时释放线圈中的能量。通过8050三极管实现继电器驱动电路。电路如图5所示。

图5 继电器模块电路图

3 软件设计

本文设计的一种电动阀门操作机械手控制系统，具有如下功能：用户通过调速开关控制直流电机输出转矩及旋转方向，用户可以通过液晶显示屏实时观测输出转矩以及阀门已经旋转的圈数。用户可以输入阀门操作机械手当前允许最大输出的转矩，当输出转矩超过设定值时，该阀门操作机械手控制系统将切断直流电机的电源。用户可以输入阀门需要旋转的圈数，当阀门旋转给定圈数时，该阀门操作机械手控制系统也会切断直流电机的电源。程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图

■3.1 电机转矩计算

由于阀门内部生锈或者有压力，阀门在操作时，转矩可能突然增大导致操作手内部电机堵转，使得电机烧毁。为了保护电机，控制系统需要实时检测电机的转矩。操作手采用的是直流电机，转矩计算公式如下：

其中，I为电机的工作电流，单位是安培（A），U为电机的工作电压，单位是伏特（V），n为阀门适配器转速，单位是圈每分钟（r/min），R为电机线圈内阻，单位是欧姆（Ω）。

■3.2 直流电机转速/圈数测量

为了获得直流电机转矩大小以及电机已经旋转的圈数，都需要获得直流电机的转速信息，本文通过霍尔转速传感器实现对电机转速的测量。所使用的传感器电机旋转一圈会产生15个脉冲信号，测得脉冲信号的频率就可以换算出电机的转速以及旋转的圈数。

本文采用等精度法对方波的频率进行测量。常用的频率测量方法有三种：直接测频法，周期法和等精度测频法。直接测频法只适合测高频信号。周期法只适合测较低频率的信号。等精度测频的原理如下：首先需要一个与被测信号同步的闸门，同时对被测信号和时基脉冲进行计数。两个计数值之比即等于其频率比。此方法可消除被测计数器的正负一个脉冲的误差，使误差与被测频率大小无关，达到等精度测频。由于电动阀门操作机械手在不同阀门上使用时，旋转的速度变化范围较大，导致霍尔转速传感器输出的信号频率变化范围较大，而频率的测量精度直接决定转矩的测量精度，因此，本文采用等精度法进行频率的测量。

■3.3 用户交互界面

本文设计的电动阀门操作机械手控制系统的用户交互界面如图7所示。

图7 用户交互界面

左上角显示当前设定的最大转矩，当输出转矩超过该值时将触发断电保护。该值可通过点击左下角“转矩设置”按钮进行设置。中间为实时转矩表，指针显示当前转矩信息（可显示0-300Nm），下方为数字显示当前转矩信息以及当前已旋转的圈数。右上角显示剩余的圈数，如果用户没有设定接下来需要旋转的圈数，则显示“剩余∞圈”表示无限圈。“关于”按钮，用于显示产品相关信息。“清零”按钮，点击后实时转矩表下方显示的圈数将清零。左下角“转矩设置”按钮，点击可进行最大转矩保护值的设定。右下角“圈数设置”按钮，点击可进入指定圈数旋转的设定界面。

4 系统测试

将本文设计的控制系统实际制作出来并安装在电动阀门操作机械手上，如图8所示。

图8 实物图

通过实际测试和使用，本文设计与制作的控制系统除了具备对电动阀门操作机械手基本的速度控制和方向控制功能以外，还可以对操作机械手的实时转矩以及阀门已经旋转的圈数进行测量。当机械手的输出转矩超过最大转矩或者已经旋转的圈数达到设定值时，控制系统均可以快速的停止阀门操作机械手的工作。

5 结论

本文设计并实现了一种电动阀门操作机械手控制系统，解决了传统开环结构的电动阀门操作机械手在使用过程中，容易因为转矩过大导致损坏的问题。另外，该电动阀门操作机械手控制系统还具有阀门圈数的记录及控制功能，使用更加便捷。