CN108799613B

CN108799613B - 阀门反馈系统

Info

Publication number: CN108799613B
Application number: CN201810581996.8A
Authority: CN
Inventors: 胡正超; 雷科扬
Original assignee: Chenxing Instrument Chengdu Co ltd
Current assignee: Chenxing Instrument Chengdu Co ltd
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: CN108799613A

Abstract

本发明涉及阀门反馈系统，该系统包括：可编程的偏置电压Vbias输出电路，在MCU控制下可以输出0V～+V，+V通常与ADC参考电压相同；可编程放大器，阀门反馈电位器的反馈电压Vfb减去Vbias后送入可编程放大器，经放大后得到Vadc，将其输入到ADC中进行模拟数字转换；其中Vadc=K*（Vfb‑Vbias），K为可编程放大器的放大系数。本发明能在不显著增加阀门反馈电路成本的情况下，提高阀门反馈装置的在小行程下的分辨率。

Description

阀门反馈系统

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种阀门反馈系统。

背景技术

阀门反馈装置由阀杆带动电位器旋转，电位器输出不用的电压值代表阀门不同的位置。现有阀门定位器的反馈装置为固定形式，在小行程时分辨率低。为了达到足够的分辨率，需要高分辨的模拟数字转换器（ADC），这增加了成本。阀门定位器为角行程时反馈杆旋转角度的最大值一般为90°。在直行程时，为保证线性度，直行程时阀门定位器反馈杆的旋转角度最大一般小于40°。为了适应不同行程的需要，对于直行程阀门，阀门定位器需要安装不同长度的阀门反馈杆，但由于安装位置的限制，在阀门定位器适配小行程的直行程阀门时，阀门定位器位置的反馈角度依旧小于10°。假设阀门定位器0.1%的分辨率，需要的ADC分辨率需求计算如下：假设反馈传感器使用常用的导电塑料电位器，其最大有效旋转角度为340°，对于角行程反馈角度为90°需要的ADC分辨率为0.1%*90/340=0.0265%，使用有效位数为12bit的 ADC可以满足要求。对于直行程反馈角度为10°，需要的分辨率可同样计算如下：0.1%*10/340=0.00294%，这种情况至少需要有效位数为16bit的 ADC才能满足装置0.1%的分辨率要求。当阀门定位器使用到小的直行程阀门上时，为了实现阀门反馈的精度，需要使用更高分辨率的ADC，这大大提高了阀门定位反馈装置的成本。或者在不同反馈角度时使用不同的齿轮组来放大反馈的角度，使得在不同行程或反馈角度的情况下使用同一组ADC。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种阀门反馈系统，能在不显著增加阀门反馈电路成本的情况下，提高阀门反馈装置的在小行程下的分辨率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种阀门反馈系统，该系统包括：

可编程的偏置电压Vbias输出电路，在MCU控制下可以输出0V～+V，+V与ADC参考电压相同；

可编程放大器，阀门反馈电位器的反馈电压Vfb减去Vbias后送入可编程放大器，经放大后得到Vadc，将其输入到ADC中进行模拟数字转换；

其中Vadc=K*（Vfb-Vbias），K为可编程放大器的放大系数。

所述偏置电压Vbias、放大系数K、阀门行程零点的放大电压Vadc_zero、阀门行程满度的放大电压Vadc_span的确定方法如下：

S1：定义偏置电压Vbias输出最小时，K=1；

S2：调节阀门定位输出压力最小，得到阀门行程零点的反馈电压Vfb_zero，设置Vbias=Vfb_zero-x，则Vadc_zero=Vfb_zero-Vbias= x，x 为预先设置的阈值，x优选取值的范围为（0，+V/100）；

S3：调节阀门定位输出压力最大，得到阀门行程满度的反馈电压Vfb_span，逐渐增大放大系数K；

S4：当Vadc=K*（Vfb_span-Vbias）≥（+V-y），得到放大系数K的取值，得到阀门行程满度的放大电压Vadc_span，y为预先设置的阈值，优选y=0.1V；

S5：调节阀门定位输出压力最小，固定K的取值和Vbias不变，得到阀门行程零点的放大电压Vadc_zero=K*（Vfb_zero-Vbias）；

阀门实际开度为[(Vadc-Vadc_zero)/(Vadc_span-Vadc_zero)]*100%；

所述步骤S3中，K呈等差数列逐渐增大。

所述等差数列的公差取值区间为（0.001，0.1）。

所述Vadc=K*（Vfb-Vbias）的范围靠近于ADC的输入范围；

所述Vadc_zero=K*（Vfb_zero-Vbias）靠近ADC输入范围的下限；

所述Vadc_span=K*（Vfb_span-Vbias）靠近ADC输入范围的上限。

所述偏置电压Vbias输入电路由多个电阻构成多个输出端，所述MCU通过多路选择开关选择输出电压。

多个电阻和运放构成减法器和可编程放大器，所述MCU通过多路选择开关选择放大倍数K。

所述MCU通过SPI总线控制DAC输出不同电压值的Vbias，由PGA配置成差分放大器将Vfb和Vbias的差值放大后生成Vadc输入ADC中。

所述放大倍数K由ADC通过SPI总线配置，ADC通过SPI总线与MCU连接，在MCU完成模拟数字转换。

所述DAC是单独芯片完成DAC功能或使用MCU内部集成DAC功能；

所述PGA是单独芯片完成PGA功能，或使用MCU内部集成PGA功能。

本发明的有益效果是：和现有技术相比，本方案的优势在于通过MCU调节可编程的偏置电压Vbias输出电路的输出电压Vbias，以及调节放大系数K，从而将不同行程或反馈角度的电位器的反馈电压统一换算成符合同一组ADC的输入范围，使得本方案可以兼容不同行程或反馈角度的阀门，无需使用过高精度的ADC或不同放大比例的齿轮组，降低了反馈电路的成本。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明MCU控制Vbias和可编程放大器放大系数的流程图；

图3是实施例1的电路图；

图4是实施例2的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、2所示，一种阀门反馈系统，该系统包括：

可编程的偏置电压Vbias输出电路，在MCU控制下可以输出0V～+V，；

其中Vadc=K*（Vfb-Vbias），K为可编程放大器的放大系数。

S1：定义偏置电压Vbias输出最小时，K=1；

S2：调节阀门定位输出压力最小，得到阀门行程零点的反馈电压Vfb_zero，设置Vbias=Vfb_zero-x；将反馈电位器输出的最小值Vfb_zero作为偏置电压，同时为了满足行程需求避免超出范围，这里的Vbias的取值还应适当低于Vfb_zero，故而Vbias=Vfb_zero-x，其中x的可取值的优选范围为（0，+V/100），在实际运用中x取值越低，其精确度越高。

S4：当Vadc=K*（Vfb_span-Vbias）≥（+V-y），得到放大系数K的取值，同时确定ADC的输入范围的上限。为避免放大倍数K增加时，可编程放大器可能输出饱和，造成Vadc_span出现错误，在放大器输出饱和前就得到K的最大值，使用Vadc≥（+V-y）判断，y与可编程放大器的线性放大范围有关，优选可设置y=0.1V，除此之外也可以设置成其他数值，其具体数值并非唯一固定的；

阀门实际开度=[(Vadc-Vadc_zero)/(Vadc_span-Vadc_zero)]*100%。

上述步骤S3中，K呈等差数列逐渐增大，等差数列的公差取值区间为（0.001，0.1），K公差取值越小得到的精度越高，Vadc=K*（Vfb-Vbias）靠近ADC的输入范围，即Vadc_zero=K*（Vfb_zero-Vbias）靠近ADC输入范围的下限，Vadc_span=K*（Vfb_span-Vbias）靠近ADC输入范围的上限，本方案中所列说的靠近是根据用户自行设置的参数决定，例如Vadc_span与ADC上限之间的差值为0.1或0.2或0.3，其目的是为了使得Vadc=K*（Vfb-Vbias）靠近ADC的输入范围，从而最大限度的提高检测的精度。

实施例1

如图3所示，作为一种实施例，该阀门反馈系统由电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，电阻R5，电阻R6，电阻R7，电阻R8，电阻R9构成分压电路作为偏置电压Vbias输出电路，该分压电路用于输出VREF1~VREF8共8个输出电压作为偏置电压Vbias，输出电压由低到高逐渐增大，MCU通过REF1_CPU，REF2_CPU，REF3_CPU控制单路8:1多路选择开关4051D选择VREF1~VREF8中其中一个，即MCU通过单路8:1多路选择开关4052D选择性输出偏置电压Vbias，实现可编程Vbias。

由电阻R10，电阻R11，电阻R12，电阻R13，电阻R14，电阻R15，电阻R18，电阻R19，电阻R20，电阻R21，电阻R22，电阻R23和运放构成减法器和可编程放大器，MCU通过OP1_CPU，OP2_CPU控制双路4:1多路选择开关控制可编程放大器，实现可编程的放大倍数K。

实施例2

如图4所示，作为一种实施例，该阀门反馈系统由MCU、ADC、DCA、PGA组成，MCU通过SPI总线控制DAC输出不同电压值的Vbias，PGA配置成差分放大器，将Vfb和Vbias的差值放大后生成Vadc输出送给ADC，其放大倍数由MCU通过SPI总线配置。ADC通过SPI总线与MCU连接，在MCU完成模拟数字转换。其中DAC可以是单独芯片完成DAC功能，如DAC7512，也可以使用MCU内部集成DAC功能。PGA可以是单独芯片完成PGA功能，如可使用PGA280，ADS1286等，也可使用使用MCU内部集成的PGA功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种阀门反馈系统，其特征在于，该系统包括：

其中Vadc=K*（Vfb-Vbias），K为可编程放大器的放大系数；

S1：定义偏置电压Vbias输出最小时，K=1；

S2：调节阀门定位输出压力最小，得到阀门行程零点的反馈电压Vfb_zero，设置Vbias=Vfb_zero-x，x 为预先设置的阈值；

S4：当Vadc=K*（Vfb_span-Vbias）≥（+V-y），得到放大系数K的取值，得到阀门行程满度的放大电压Vadc_span，y为预先设置的阈值；

阀门实际开度=[(Vadc-Vadc_zero)/(Vadc_span-Vadc_zero)]*100%。

2.根据权利要求1所述的阀门反馈系统，其特征在于，所述步骤S3中，K呈等差数列逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的阀门反馈系统，其特征在于，所述等差数列的公差取值区间为（0.001，0.1）。

4.根据权利要求3所述的阀门反馈系统，其特征在于，所述Vadc=K*（Vfb-Vbias）的范围靠近ADC的输入范围；

所述Vadc_zero=K*（Vfb_zero-Vbias）靠近ADC输入范围的下限；

所述Vadc_span=K*（Vfb_span-Vbias）靠近ADC输入范围的上限。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的阀门反馈系统，其特征在于，所述偏置电压Vbias输入电路由多个电阻构成多个输出端，所述MCU通过多路选择开关选择输出电压。

6.根据权利要求5所述的阀门反馈系统，其特征在于，多个电阻和运放构成减法器和可编程放大器，所述MCU通过多路选择开关选择放大倍数K。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的阀门反馈系统，其特征在于，所述MCU通过SPI总线控制DAC输出不同电压值的Vbias，由PGA配置成差分放大器将Vfb和Vbias的差值放大后生成Vadc输入ADC中。

8.根据权利要求7所述的阀门反馈系统，其特征在于，所述放大倍数K由ADC通过SPI总线配置，ADC通过SPI总线与MCU连接，在MCU完成模拟数字转换。

9.根据权利要求8所述的阀门反馈系统，其特征在于，所述DAC是单独芯片完成DAC功能或使用MCU内部集成DAC功能；

所述PGA是单独芯片完成PGA功能，或使用MCU内部集成PGA功能。