CN109639044A - 核电仪表数字指针驱动机芯 - Google Patents

Abstract

核电仪表数字指针驱动机芯，包括壳体、壳盖、仪用步进电机本体、PCB电路板、ARM芯片、微步距细分驱动芯片、PROFIBUS总线插座及逻辑电路，其要点是，所述的仪用步进电机本体内置具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，PCB电路板、微步距细分驱动电路与PROFIBUS总线控制逻辑均封装在六边形状的壳体和壳盖所包围的空间中，以PCB电路板为分隔板，一边集成了电路控制逻辑及电路，另一边安装了仪用步进电机本体部件，其接口逻辑简单，只有一个输出指针和一个DB9插座，使其成为基于PROFIBUS现场总线上的一个数字指针驱动关键特殊器件，这种数字指针驱动机芯组成的核电仪表，其工作年限为60年。

Description

核电仪表数字指针驱动机芯

技术领域

本发明涉及一种核电仪表数字指针驱动机芯，该机芯基于PROFIBUS现场总线接口，可广泛应用于核电厂各类控制仪表系统。

背景技术

核电厂的仪表系统如同人体感觉器官，普遍存在于核电厂核岛、常规岛和辅助车间控制系统（BOP）的各个角落，提供各类在线控制及监视信息，以便及时将系统或设备的物理参数，如温度、压力、流量、电压、电流等物理量，或开关状态参数信息告知操纵人员；核电仪表是操纵人员掌握核电厂当前运行工况的重要交互界面，其仪表的准确和可靠性是保证核电厂安全、经济运行的重要保障。

本专利的申请人注意到这样一个事实：

1.核电厂的仪表种类繁多，五花八门，却没有一个统一的仪表机芯，从而导致仪表的维修维护非常复杂。

2.现有的核电仪表大都独自为战，虽然是数字化仪表，却鲜少自带基于PROFIBUS现场总线DP从站的接口。

3.通常核电站的安全发电质保60年，也就是说，核电仪表的寿命应有一个基本要求，其工作年限也应在60年。

遗憾地是，现有的液晶式LCD数字显示仪表均不能达到这一要求，这是因为，通常的液晶层是由上下两片偏振片以及背光组件组成，背光组件的主要部件是背光灯管和导光板两个部分，决定寿命的主要是背光灯管的寿命，在达到一定时间期限后，背光灯管自然会出现老化，亮度随之降低，当灯管亮度衰减到50%时的使用时间即定义为灯管寿命。普通LCD的标称使用寿命均为2～3万小时,如果一天24小时开机，只可以使用833～1250天，只有不到 3.5年的可靠使用寿命时间，而且在使用过程中，随着时间的延长，亮度会逐渐减弱。因此，采用高可靠的LCD数字显示仪表机芯，均要求质保5年左右，质保到期之后再分别通过延保至60年。

有鉴于此，本发明推出了一种核电仪表数字指针驱动机芯，该仪表的特点是，采用一种仪表用步进电机驱动的数字指针机芯，通过材料和拓扑结构的设计，不要更换延保就具有超过60年的使用寿命。该数字指针机芯摈弃了传统的模拟指针机构，无须在载流线圈的作用下产生安培力矩，并去掉了脆弱的游丝阻尼部件。所述的仪表用步进电机自带PROFIBUS现场总线接口，通过PROFIBUS现场总线技术,既可将总线上的测量数据及时显示，又可将自身的状态由通讯接口传送到总线上,使之成为冗余总线,以实现安全可靠的数字化通讯。更为要紧的是，所述的核电仪表数字指针驱动机芯完全可以将核电厂的仪表机芯一统司马懿，满足核电仪表系统质保60年的要求。

发明内容

据此，本发明提出了一款基于PROFIBUS现场总线DP从站接口的核电仪表数字指针驱动机芯方案。该方案采用仪表用步进电机驱动技术，机芯内置步进电机本体和电子控制元件，外部接口采用PROFIBUS总线，符合德国国家标准DINl9245和欧洲标准EN50170的现场总线标准，数据传输速率为96kbit/s～12Mbit/s，传输的数据容量为每个报文多达244 个字节，广泛应用于设备级控制系统与分散式I/O 之间的高速数据传递，适合用于高速并且对于时间苛求的数据传输，它的出现为核电厂的分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持；

由于这种核电仪表数字指针驱动机芯在基于PROFIBUS现场总线DP从站接口的基础上，统一了核电厂内各种仪表的数字指针驱动内核，可为核电厂的核岛、常规岛和BOP提供各类控制及监视信息，以保证核电厂安全、可靠地运行，本发明最大的特点是，冗余、可靠、统一、长寿命。具体内容如下：

一款核电仪表数字指针驱动机芯，包括壳体、壳盖、PROFIBUS总线插座、指针、仪用步进电机本体、PCB电路板，其要点在于：

所述的核电仪表数字指针驱动机芯是在一个六边形状的壳体和六边形状的壳盖所包围的空间中，封装了仪用步进电机本体和PCB电路板，所述的PCB电路板为六边形状，PCB电路板的一边焊接有ARM芯片、微步距细分驱动芯片、PROFIBUS总线A路收发控制器、PROFIBUS总线B路收发控制器、电平变换接口芯片、励磁线圈包焊接引脚、续流二极管，PROFIBUS总线插座也焊接在PCB电路板上；PCB电路板的另一边安装了仪用步进电机本体；

所述的PCB电路板上的ARM芯片为核心器件，具有三路USART接口和多路外部中断引脚，支持硬件DMA操作请求，其I/O引脚与微步距细分驱动芯片的输入引脚相连，微步距细分驱动芯片的输出引脚再与两个励磁线圈包的绕组相连, 两个续流二极管再分别与两个励磁线圈包焊接引脚并联；

所述的PROFIBUS总线插座采用DB9芯插座，DB9芯插座上定义有双+5V线、A1、B1和A2、B2、RST和双GND线，所述的A1与B1接PROFIBUS总线A路收发控制器的差分驱动接口引脚，PROFIBUS总线A路收发控制器的输入端与ARM芯片的TXD1、RXD1端相连；

所述的A2与B2接PROFIBUS总线B路收发控制器的差分驱动接口引脚, PROFIBUS总线B路收发控制器的输入端与ARM芯片的TXD2、RXD2端相连；

RST端经电平变换接口芯片后，与ARM芯片的中断引脚相连；

所述的仪用步进电机本体是一套具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体、励磁线圈包、永磁转子体AL、传动从动轮BL、 传动从动轮CL和转动轴从动轮DL，所述的铁芯体两侧的臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚分别焊接在PCB电路板上；

所述的铁芯体的中轴线上开有AM孔、CM孔、DM孔，所述的永磁转子体AL安装在AM孔处，传动从动轮CL安装在CM孔处，转动轴从动轮DL安装在DM孔处，其中永磁转子体AL所处的AM孔位置，是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包中通电后，利用磁导的变化产生转矩，驱动永磁转子体AL的转动；

所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体AL与传动从动轮BL啮合传动，组成一级减速传动结构；传动从动轮BL与传动从动轮CL啮合传动，组成二级减速传动结构；传动从动轮CL再与转动轴从动轮DL啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与转动轴从动轮DL同轴相连，保证转动轴从动轮DL转动时同步带动转动轴；

所述的铁芯体上的支撑定位孔处镶嵌有空心的尼龙圆柱体，所述的壳体的内部有四个支柱，安装时，铁芯体上的四个尼龙圆柱体紧贴PCB电路板，壳体内部的四个支柱分别穿过铁芯体上的四个支撑定位孔后与铁芯体相接；

所述的六边形状的壳体的外壁上开有嵌槽，所述壳体内部相邻边的转角处分别有一个安装台阶，所述的壳盖上有六个壳盖安装孔，所述的PCB电路板上开有六个安装定位孔，装配时，焊接好电子元件后的PCB电路板搁放在壳体的安装台阶上，合上壳盖，将螺丝穿过壳盖上的壳盖安装孔、PCB电路板上的安装定位孔后,与壳体上的安装台阶相连成一个整体，所述的转动轴从转动轴从动轮DL上伸出，穿过壳体上的出轴圆柱体后，再与指针套接。

进一步地，所述的永磁转子体AL为六齿结构，采用钕铁硼材料。

进一步地，所述的壳体、壳盖、传动从动轮BL、从动轮CL和转动轴从动轮DL均采用尼龙66材料。

进一步地，所述的转动轴为不锈钢针。

进一步地，所述的铁芯体采用坡莫合金材料。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1 核电仪表数字指针驱动机芯外形图一；

图2 核电仪表数字指针驱动机芯外形图二；

图3 核电仪表数字指针驱动机芯外形图三；

图4 核电仪表数字指针驱动机芯分解图一；

图5 核电仪表数字指针驱动机芯分解图二；

图6 核电仪表数字指针驱动机芯分解图三；

图7 核电仪表数字指针驱动机芯分解图四；

图8 核电仪表数字指针驱动机芯分解图五；

图9 去掉上盖和下盖后的内部视图一；

图10 去掉上盖和下盖后的内部视图二；

图11 PCB板正面正视图；

图12 PCB板背面正视图；

图13 铁芯体视图。

以下为标号说明：

1 壳体

11 嵌槽

12 安装板

13 支柱

14 出轴圆柱体

15 安装台阶

2 壳盖

21 壳盖安装孔

3 PROFIBUS总线插座

4 指针

5 PCB电路板

51 ARM芯片

52 微步距细分驱动芯片

53 PROFIBUS总线A路收发控制器

54 PROFIBUS总线B路收发控制器

55 电平变换接口芯片

56 安装定位孔

57 续流二极管

58 励磁线圈包焊接引脚

61 永磁转子体AL

62 传动从动轮BL

63 传动从动轮CL

64 转动轴从动轮DL

65 转动轴

66 励磁线圈包

67 铁芯体

68 支撑定位孔

671 AM孔

672 CM孔

673 DM孔

674 矩形铁芯柱体

675 尼龙圆柱体

具体实施方式

本发明如图1至图11所示。为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

实施例的核电仪表数字指针驱动机芯，包括壳体1、壳盖2、PROFIBUS总线插座3、指针4、仪用步进电机本体、PCB电路板5，其要点如下：

所述的核电仪表数字指针驱动机芯是在一个六边形状的壳体1和六边形状的壳盖2所包围的空间中封装了仪用步进电机本体和PCB电路板5，所述的PCB电路板5为六边形状，PCB电路板5的一边焊接有ARM芯片51、微步距细分驱动芯片52、PROFIBUS总线A路收发控制器53、PROFIBUS总线B路收发控制器54、电平变换接口芯片55、励磁线圈包焊接引脚58、续流二极管57，PROFIBUS总线插座3也焊接在PCB电路板5上；PCB电路板5的另一边安装了仪用步进电机本体；

所述的PCB电路板5上的ARM芯片51为核心器件，具有三路USART接口和多路外部中断引脚，支持硬件DMA操作请求，其I/O引脚与微步距细分驱动芯片52的输入引脚相连，微步距细分驱动芯片52的输出引脚再与两个励磁线圈包66的绕组相连, 两个续流二极管57再分别与两个励磁线圈包焊接引脚58相并联；

所述的PROFIBUS总线插座3采用DB9芯插座，DB9芯插座上定义有双+5V线、A1、B1和A2、B2、RST和双GND线，所述的A1与B1接PROFIBUS总线A路收发控制器53的差分驱动接口引脚，PROFIBUS总线A路收发控制器53的输入端与ARM芯片51的TXD1、RXD1端相连；

所述的A2与B2接PROFIBUS总线B路收发控制器54的差分驱动接口引脚, PROFIBUS总线B路收发控制器54的输入端与ARM芯片51的TXD2、RXD2端相连；

RST端经电平变换接口芯片55后，与ARM芯片51的中断端相连；

所述的仪用步进电机本体是一套具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体67、励磁线圈包66、永磁转子体AL 61、传动从动轮BL 62、 传动从动轮CL 63和转动轴从动轮DL 64，所述的铁芯体67两侧的臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体674，两个励磁线圈包66分别插入矩形铁芯柱体674中，励磁线圈包66的引脚分别焊接在PCB电路板5上；

所述的铁芯体67的中轴线上开有AM孔671、CM孔672、DM孔673，所述的永磁转子体AL 61安装在AM孔671处，传动从动轮CL 63安装在CM孔672处，转动轴从动轮DL 64安装在DM孔673处，其中永磁转子体AL 61所处的AM孔671位置，是两个励磁线圈包66绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包66中通电后，利用磁导的变化产生转矩，驱动永磁转子体AL 61的转动；

所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体AL 61与传动从动轮BL 62啮合传动，组成一级减速传动结构；传动从动轮BL 62与传动从动轮CL 63啮合传动，组成二级减速传动结构；传动从动轮CL再与转动轴从动轮DL 64啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴65与转动轴从动轮DL 64同轴相连，保证转动轴从动轮DL 64转动时同步带动转动轴65；

所述的铁芯体67上的支撑定位孔68处镶嵌有空心的尼龙圆柱体675，所述的壳体1的内部有四个支柱13，安装时，铁芯体67上的四个尼龙圆柱体675紧贴PCB电路板5，壳体1内部的四个支柱13分别穿过铁芯体67上的四个支撑定位孔68后与铁芯体67相接；

所述的六边形状的壳体1的外壁上开有嵌槽11，根据安装需要，安装板12可选择插入嵌槽11中，所述壳体1内部相邻边的转角处分别有一个安装台阶15，所述的壳盖2上有六个壳盖安装孔21，所述的PCB电路板5上开有六个安装定位孔56，装配时，焊接好元件后的PCB电路板5搁放在壳体1的安装台阶15上，合上壳盖2，将螺丝穿过壳盖2上的壳盖安装孔21、PCB电路板5上的安装定位孔56后,与壳体1上的安装台阶15相连成一个整体，所述的转动轴65从转动轴从动轮DL 64上伸出，穿过壳体1上的出轴圆柱体14后，再与指针4套接。

进一步地，所述的永磁转子体AL 61为六齿结构，采用钕铁硼材料。

进一步地，所述的壳体1、壳盖2、传动从动轮BL 62、从动轮CL 63和转动轴从动轮DL 64均采用尼龙66材料。

进一步地，所述的转动轴65为不锈钢针。

进一步地，所述的铁芯体67采用坡莫合金材料。

进一步地，为了提高系统的可靠性，设计中部分采用了双冗余热备份容错技术，包括双回路电源和双回路的差分信号，确保系统安全可靠运行。

进一步地，为了降低成本，本发明没有使用PROFIBUS现场总线专用协议芯片SPC3,而是利用ARM外部触发模式来辨识报文的帧间隔，该部分技术不是本发明的内容，故从略。

本发明的技术效果如下：

1.所述的PROFIBUS现场总线是当今核电仪表自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化仪表领域的计算机局域网，将PROFIBUS现场总线技术与数字指针驱动机芯相融合，是发明人脑洞大开的结果。

2. 本发明直接将仪用步进电机本体与PCB电路板、微步距细分驱动电路、ARM芯片与PROFIBUS总线接口构成一个控制整体，并将其设计成一个基于PROFIBUS总线的数字指针驱动部件，所述的DB9插座集成了数据线、控制线与电源线，这样，。

3. 所述的PROFIBUS总线是一种新的面向控制层的实时性现场总线网络，连接在网络上的各类传感器可通过同一物理介质链路为数字指针驱动部件提供实时时间节点的报文数据，非常适用于数字指针这一关联控制信息同步、协调在其数字表盘上指示。所述的ARM芯片可以直接解码来自PROFIBUS总线上的报文数据流，并解码为步进电机本体转动轴角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到指针准确定位的目的，特别适合核电仪表及网络化高端仪表的数字化指示。

4．本发明意想不到的效果是，将仪用步进电机本体、ARM芯片、微步距驱动与PROFIBUS总线设计成一体化后，接口居然也变得非常简单，只有一个输出指针和一个九芯的PROFIBUS现场总线插座，从而使其成为一个数字指针驱动的关键特殊器件，很容易就构成基于PROFIBUS现场总线上的一个数字指针指示节点。

5．本发明选材上采用了长寿命的尼龙66、坡莫合金材料，选用不锈钢针为转动轴，优化了控制电路的拓扑结构，以确保机芯无需更换延保就具有超过60年的使用寿命。

上述为本发明的优选实施方案。本说明书中，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，仅用于帮助理解本发明核心思想，而不应理解为对本发明的限制。所属领域的技术人员都明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.核电仪表数字指针驱动机芯，包括壳体（1）、壳盖（2）、PROFIBUS总线插座（3）、指针（4）、仪用步进电机本体、PCB电路板（5），其特征在于：

所述的核电仪表数字指针驱动机芯是在一个六边形状的壳体（1）和六边形状的壳盖（2）所包围的空间中封装了仪用步进电机本体和PCB电路板（5），所述的PCB电路板（5）为六边形状，PCB电路板（5）的一边焊接有ARM芯片（51）、微步距细分驱动芯片（52）、PROFIBUS总线A路收发控制器（53）、PROFIBUS总线B路收发控制器（54）、电平变换接口芯片（55）、励磁线圈包焊接引脚（58）、续流二极管（57），PROFIBUS总线插座（3）也焊接在PCB电路板（5）上；PCB电路板（5）的另一边安装了仪用步进电机本体；

所述的PCB电路板（5）上的ARM芯片（51）为核心器件，其I/O引脚与微步距细分驱动芯片（52）的输入引脚相连，微步距细分驱动芯片（52）的输出引脚再与两个励磁线圈包（66）的绕组相连, 两个续流二极管（57）再分别与两个励磁线圈包焊接引脚（58）相并联；

所述的PROFIBUS总线插座（3）采用DB9芯插座，DB9芯插座上定义有双+5V线、A1、B1和A2、B2、RST和双GND线，所述的A1与B1接PROFIBUS总线A路收发控制器（53）的差分驱动接口引脚，PROFIBUS总线A路收发控制器（53）的输入端与ARM芯片（51）的TXD1、RXD1端相连；

所述的A2与B2接PROFIBUS总线B路收发控制器（54）的差分驱动接口引脚, PROFIBUS总线B路收发控制器（54）的输入端与ARM芯片（51）的TXD2、RXD2端相连；

RST端经电平变换接口芯片（55）后，与ARM芯片（51）的中断端相连；

所述的仪用步进电机本体是一套具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体（67）、励磁线圈包（66）、永磁转子体A（61）、传动从动轮B（62）、 传动从动轮C（63）和转动轴从动轮D（64），所述的铁芯体（67）两侧的臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体（674），两个励磁线圈包（66）分别插入矩形铁芯柱体（674）中，励磁线圈包（66）的引脚分别焊接在PCB电路板（5）上；

所述的铁芯体（67）的中轴线上开有AM孔（671）、CM孔（672）、DM孔（673），所述的永磁转子体AL（61）安装在AM孔（671）处，传动从动轮CL（63）安装在CM孔（672）处，转动轴从动轮DL（64）安装在DM孔（673）处，其中永磁转子体AL（61）所处的AM孔（671）位置，是两个励磁线圈包（66）绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包（66）中通电后，利用磁导的变化产生转矩，驱动永磁转子体AL（61）的转动；

所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体AL（61）与传动从动轮BL（62）啮合传动，组成一级减速传动结构；传动从动轮BL（62）与传动从动轮CL（63）啮合传动，组成二级减速传动结构；传动从动轮CL再与转动轴从动轮DL（64）啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴（65）与转动轴从动轮DL（64）同轴相连，保证转动轴从动轮DL（64）转动时同步带动转动轴（65）；

所述的铁芯体（67）上的支撑定位孔（68）处镶嵌有空心的尼龙圆柱体（675），所述的壳体（1）的内部有四个支柱（13），安装时，铁芯体（67）上的四个尼龙圆柱体（675）紧贴PCB电路板（5），壳体（1）内部的四个支柱（13）分别穿过铁芯体（67）上的四个支撑定位孔（68）后与铁芯体（67）相接；

所述的六边形状的壳体（1）的外壁上开有嵌槽（11），所述壳体（1）内部相邻边的转角处分别有一个安装台阶（15），所述的壳盖（2）上有六个壳盖安装孔（21），所述的PCB电路板（5）上开有六个安装定位孔（56），装配时，焊接好元件后的PCB电路板（5）搁放在壳体（1）的安装台阶（15）上，盖上壳盖（2），将螺丝穿过壳盖（2）上的壳盖安装孔（21）、PCB电路板（5）上的安装定位孔（56）后,与壳体（1）上的安装台阶（15）相连成一个整体，所述的转动轴（65）从转动轴从动轮DL（64）上伸出，穿过壳体（1）上的出轴圆柱体（14）后，再与指针（4）套接。

2.根据权利要求1所述的核电仪表数字指针驱动机芯，其特征在于：所述的永磁转子体AL（61）为六齿结构，采用钕铁硼材料。

3.根据权利要求1所述的核电仪表数字指针驱动机芯，其特征在于：所述的壳体（1）、壳盖（2）、传动从动轮BL（62）、从动轮CL（63）和转动轴从动轮DL（64）均采用尼龙66材料。

4.根据权利要求1所述的核电仪表数字指针驱动机芯，其特征在于：所述的转动轴（65）为不锈钢针。

5.根据权利要求1所述的核电仪表数字指针驱动机芯，其特征在于：所述的铁芯体（67）采用坡莫合金材料。