輸氣管、輸油管及輸水管等組成的管道作業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常要在關(guān)鍵位置安裝緊急切斷閥裝置，防止意外情況下管道內(nèi)物質(zhì)外泄。最早采用的切斷閥是機械式結(jié)構(gòu)，每次閥體的關(guān)斷和打開都需要工作人員現(xiàn)場手工操作，過程復(fù)雜，而且因為往返途中耗費大量時間，不利于緊急事故的及時處理。隨著氣動技術(shù)在工業(yè)的應(yīng)用，出現(xiàn)了氣體推動的切斷閥，在每個閥體旁邊安置一個氣罐，由電磁繼電器控制氣體通道實現(xiàn)閥門動作，氣動閥與機械閥相比還增加了遠程控制功能，操作人員通過中央控制室的電腦即可遠程控制現(xiàn)場。理論情況下氣罐的氣體可供閥門工作1-3年，但實際上，受機械加工精度影響，僅3個月多氣體就泄露完了。因此需要設(shè)計一款針對戶外惡劣環(huán)境的，具有遠程集中控制功能的切斷閥控制系統(tǒng)。
1 功能概述
切斷閥安裝位置多在荒郊野外，環(huán)境惡劣，系統(tǒng)每部分的設(shè)計都得考慮使用現(xiàn)場的具體情況。在電源方面，因無法使用工業(yè)電源，本系統(tǒng)設(shè)計中選用了太陽能電源；在動力部件選擇上采用了低電壓、高效能、低成本、易維護的無刷直流電機；遠程控制方面采用了工業(yè)標(biāo)準的485通信協(xié)議，這樣易于與管道上的流量計、壓力計等設(shè)備兼容組成數(shù)字化控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示：
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)用TI公司的LM3S615作為主控芯片，控制三相帶位置傳感器的BLDC，整個系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實行串級聯(lián)接，也就是把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出控制功率開關(guān)管的觸發(fā)。
2 主要功能單元的硬件設(shè)計
2.1 主回路部分設(shè)計
主回路部分實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)向和速度的控制，這部分包括功率驅(qū)動和全橋逆變。逆變電路采用繞組利用率高、力矩脈動小的三相H橋電路組成。逆變器功率開關(guān)管是主電路的核心部件，考慮到工作電壓、工作電流及功耗等因素，本系統(tǒng)中逆變橋電路選用IRFI3205，這是一款全控型MOSFET管，其主要參數(shù)如下，VDSS=55V、RDS（ON）=8mΩ、ID=56A留的裕量較大。主回路電路原理圖如圖2所示。
圖2 主回路電路原理圖
圖中C46，C47，C48是自舉電容，取值10uF，D8，D9，D10是自舉二極管，常選用超快恢復(fù)二極管，考慮到反向電壓不高選用肖特基二極管（1N5819），RS是電流取樣電阻，因芯片內(nèi)部電流比較器采用0.5V基準電源，本系統(tǒng)設(shè)計最大過電流為15A，得到RS取0.033歐/10W。R51，C45組成RC低通濾波器，防止干擾脈沖誤動作。Rs、Cs、Ds組成了緩沖電路。R57- R62作用是對MOS管柵極極間電容放電。
2.2 電流檢測保護電路
常見的檢測電流方法包括電流互感法、霍爾電流傳感器法以及電阻采樣法等。本系統(tǒng)所采用的電流檢測電路如圖3所示。通過串接在直流母線上的精密取樣電阻RS將主回路電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓信號經(jīng)過R51、C45組成的低通濾波器后分為兩路，一路送到IR2130的ITRIP端，用做過電流硬件保護；另一路送入由LM324組成的放大電路調(diào)理后得到0-3V范圍的模擬電壓量，該電壓信號經(jīng)穩(wěn)壓二極管D6限幅后送入LM3S8962的模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADC0。
圖3 電流檢測電路
2.3 電壓檢測保護電路
本設(shè)計中采用的是電阻分壓方式檢測電壓，精密電阻和精密電位器組成分壓取樣電路，取出的電壓經(jīng)過低通濾波，再經(jīng)一級電壓跟隨器后送到ADC端口。在主程序中通過輪詢讀取電壓值判斷直流母線電壓是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，關(guān)閉PWM輸出。
2.4 位置速度檢測電路
無刷直流電機內(nèi)部帶有三個霍爾位置傳感器，電機在旋轉(zhuǎn)時，通過對三個位置的邏輯判斷，做出正確的換相，同時，通過計算兩個換相脈沖之間的時間差，還可以間接的求出電機旋轉(zhuǎn)速度，為速度環(huán)控制提供數(shù)據(jù)。由于霍爾元件是集電極開路輸出，其輸出信號經(jīng)過上拉電阻得到位置方波信號?？紤]到霍爾輸出信號電平與主控制芯片電平的不匹配，霍爾輸出位置信號經(jīng)過了由光耦組成的隔離電路，再經(jīng)過由RC組成的低通濾波器及兩級施密特非門整形后送入芯片內(nèi)部。
2.5 通信模塊及地址位置檢測模塊
用一片MAX485和LM3S615內(nèi)部的232模塊，完成了與上位機之間的數(shù)據(jù)通信功能。地址碼由一個8位撥碼開關(guān)確定，在閥體上安裝有兩個位置檢測用的光電隔離器，用于閥門狀態(tài)的判斷。
3 軟件設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能劃分，軟件設(shè)計分為：主程序、位置檢測中斷子程序、電壓/電流檢測中斷子程序、定時中斷子程序及通信子程序等。限于篇幅，這里僅介紹一部分。
3.1 主程序
主程序中實現(xiàn)系統(tǒng)初始化，開啟系統(tǒng)全局中斷，調(diào)用電機預(yù)啟動程序及程序主循環(huán)體。初始化包括頭文件的加載、變量的定義、時鐘模塊配置、ADC模塊配置、定時器模塊配置、PWM模塊的配置及通信模塊的配置等。電機上電瞬間處于靜止?fàn)顟B(tài)，沒有位置信號供換相判斷，因此必須預(yù)啟動讓電機轉(zhuǎn)動起來。隔上一定時間后，再檢測電機狀態(tài)并作相應(yīng)控制。
3.2 位置檢測中斷子程序
這部分程序檢測位置中斷信號，一方面決定下一時間的換相邏輯，另一方面計算當(dāng)前轉(zhuǎn)速。電機系統(tǒng)是一個大慣性系統(tǒng)，尤其速度環(huán)滯后現(xiàn)象比較嚴重，若速度調(diào)節(jié)過于頻繁易引起系統(tǒng)振蕩，因此軟件中采用與定時器配合的方式，每隔上一段固定時間，對多次計算的轉(zhuǎn)速值求一平均，再以此平均值做為轉(zhuǎn)速的測量值對電機做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制。
3.3 通信子程序
芯片采用波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位的串行通信方式，數(shù)據(jù)以幀的格式傳送，幀的格式分為兩種：一種幀是用于傳送命令或狀態(tài)，由六個字節(jié)組成，另一種幀用于傳送數(shù)據(jù)，由7個字節(jié)組成，定義如表1所示：
表1 命令或狀態(tài)幀格式定義
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