CN109899583A - 一种pwm调节阀的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PWM调节阀的控制系统，包括处理器和PWM功放电路，所述PWM功放电路与处理器电连接，同时外接调节阀阀芯，处理器预设控制电压V1，并将其发送至PWM功放电路，PWM功放电路获取调节阀阀芯的反馈电压V2，并将V1与V2数值相比较，根据比较结果输出相应的PWM信号驱动调节阀电磁铁，控制调节阀线圈中的电流，进而控制调节阀的阀门开度。所述PWM功放电路输出的PWM信号电流稳定，从而可以实现对调节阀阀门开度的精确控制，提高PWM调节阀的控制精度。同时，所述PWM调节阀的控制系统还具有结构简单、体积小、功耗低的优点。

Description

一种PWM调节阀的控制系统

技术领域

本发明涉及调节阀控制技术领域，尤其涉及一种PWM调节阀的控制系统。

背景技术

调节阀又名控制阀，在现代化工厂的自动控制中起着十分重要的作用，在工业自动化过程控制领域，调节阀通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变介质流量、压力、温度、液位等工艺参数。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。近年来，随着工业自动化程度的不断发展，PWM技术被广泛应用于调节阀，现有的PWM调节阀利用处理器输出PWM信号，经PWM驱动电路发送到调节阀，根据PWM信号脉冲宽度的大小控制调节阀的阀门开度，进而实现对介质的流量、压力、温度、液位等工艺参数的调节。其中，处理器输出的PWM信号是根据处理器内部输出的控制电压经过处理器内部的PWM功放电路转化获取的。但处理器作为专业的运算和控制处理元件，并不具备专业的PWM信号处理能力，其提供的PWM信号通常存在电流不稳定的问题，从而影响调节阀的控制精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种PWM调节阀的控制系统，解决上述技术问题，采用专门的PWM功放电路获得电流稳定的PWM信号，从而实现对调节阀阀门开度的精确控制，提高PWM调节阀的控制精度。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种PWM调节阀的控制系统，包括处理器和PWM功放电路，所述PWM功放电路与处理器电连接，同时外接调节阀阀芯，所述PWM功放电路包括振荡器、触发器、比较器、与门、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一电容、第二电容、MOS管和二极管，其中，与门的第一输入端、第二输入端均连接外部电源正端，与门的第三输入端连接触发器的Q管脚，触发器的R管脚连接比较器输出端，触发器的S管脚连接振荡器输出端，比较器输入正端一路经第一电阻连接处理器的电压输出端，另一路经第二电阻接地，比较器输入负端经第五电阻连接MOS管的源极，振荡器输入端一路经第三电阻连接外部电源正端，另一路经第二电容接地，第一电容一端连接外部电源正端，另一端接地，与门输出端经第四电阻连接MOS管的栅极，MOS管的漏极连接电磁阀阀芯，MOS管的源极经第六电阻接地，二极管并联于电磁阀阀芯的两端，二极管的阳极连接MOS管的源极。

特别地，所述PWM调节阀的控制系统还包括温度传感器，所述温度传感器与处理器电连接，用于获取PWM调节阀温度发送至处理器。

特别地，所述处理器采用C8051F040单片机。

特别地，所述与门采用7415TTL芯片。

特别地，所述比较器采用LM351芯片。

本发明提出了一种PWM调节阀的控制系统，与现有技术相比的有益效果为：所述PWM调节阀的控制系统设有专门的PWM功放电路，能够获得电流稳定的PWM信号，从而可以实现对调节阀阀门开度的精确控制，提高PWM调节阀的控制精度。同时，所述PWM调节阀的控制系统还具有结构简单、体积小、功耗低的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的PWM调节阀的控制系统结构框图。

图2为本发明实施例1提供的PWM功放电路原理图。

图3为本发明实施例1提供的PWM功放电路输出PWM波形和输出电流波形图。

图4为本发明实施例1提供的PWM调节阀控制系统进行测试获得的PWM波形和反馈电压波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

调节阀控制系统的核心是控制调节阀线圈中的电流，通常通过处理器输出可调的模拟信号至调节阀来实现，但采用该控制方式时，调节阀线圈中的电流为连续电流，功率器件功耗大，需要额外增加散热装置。近年来，随着工业自动化程度的不断发展，PWM技术被广泛应用于调节阀，PWM技术通过处理器直接输出脉冲宽度可调的PWM信号，经PWM驱动电路发送到调节阀实现对调节阀线圈电流的调节，该控制方式功耗小，不需要额外增加散热装置，具有体积小的优点，但处理器作为专业的运算和控制处理元件，其输出的模拟量精度较高，但其并不具备专业的PWM信号处理能力，其提供的PWM信号通常存在电流不稳定的问题，严重影响调节阀的控制精度。为了既能输出稳定电流，又能兼顾效率和体积，本实施例提供了一种PWM调节阀的控制系统。如图1所示，图1为本发明实施例1提供的PWM调节阀的控制系统结构框图。

所述PWM调节阀的控制系统，包括处理器和PWM功放电路，所述PWM功放电路与处理器电连接，同时外接调节阀阀芯。处理器预设控制电压V1，并将其发送至PWM功放电路，PWM功放电路获取调节阀阀芯的反馈电压V2，并将V1与V2数值相比较，根据比较结果输出相应的PWM信号驱动调节阀电磁铁，控制调节阀线圈中的电流，进而控制调节阀的阀门开度。

本实施例的优选实施方式为所述处理器采用C8051F040单片机。C8051F040单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向。芯片上有1个12位多通道ADC，2个12位DAC，2个电压比较器，1个电压基准，1个32kB的FLASH存储器，与MCS－51指令集完全兼容的高速CIP－51内核，峰值速度可达25MIPS，并且还有硬件实现的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。

如图2所示，图2为本发明实施例1提供的PWM功放电路原理图。

所述PWM功放电路包括与门A1、触发器A2、比较器A3、振荡器A4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一电容C1、第二电容C2、MOS管Q1和二极管D1，其中，与门A1的第一输入端、第二输入端均连接外部电源正端，与门A1的第三输入端连接触发器A2的Q管脚，触发器A2的R管脚连接比较器A3输出端，触发器A2的S管脚连接振荡器A4输出端，比较器A3输入正端一路经第一电阻R1连接处理器的电压输出端，另一路经第二电阻R2接地，比较器A3输入负端经第五电阻R5连接MOS管Q1的源极，振荡器A4输入端一路经第三电阻R3连接外部电源正端，另一路经第二电容C1接地，第一电C1一端连接外部电源正端，另一端接地，与门A1输出端经第四电阻R4连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的漏极连接电磁阀阀芯，MOS管Q1的源极经第六电阻R6接地，二极管D1并联于电磁阀阀芯的两端，二极管D1的阳极连接MOS管Q1的源极。

所述PWM功放电路工作原理具体为：振荡器A4为触发器A2提供时间脉冲，三输入与门A1的第一、第二输入端保持使能状态，处理器内部预设比较器A3的两个输入端分别接入处理器预设控制电压V1和调节阀阀芯的反馈电压V2进行比较，振荡器A4和比较器A3共同作用下，触发器A2输出PWM波形，控制MOS管Q1的导通关断，PWM功放电路输出稳定电流驱动电磁阀阀芯动作。MOS管Q1导通时，PWM功放电路向电磁阀阀芯电感线圈缓慢充电，电流流过第六电阻R6，反馈电压V2缓慢增加，当V2＞V1时，触发器A2发生翻转，MOS管Q1关断，二极管D1导通，电磁阀阀芯电感线圈放电，持续一段时间后，振荡器A4的脉冲使触发器A2发生翻转，MOS管Q1重新开启。如图3所示，图3为PWM功放电路输出的PWM信号波形和输出电流波形图，其中，Ton为MOS管Q1导通时间，T为PWM周期，Im为PWM功放电路输出电流最大峰值，ΔI为PWM功放电路输出电流波动值。将电磁阀阀芯电感线圈等效为一个阻值为RL的电阻和电感值为L的电感器串联，视MOS管Q1和二极管D1为理想器件，则PWM功放电路输出电流具有如下时域关系式：

当0＜t≤Ton时，

当Ton＜t≤T时，

其中，τ₁为MOS管Q1导通时电磁阀阀芯线圈电气时间参数τ₂为MOS管Q1关断时电磁阀阀芯线圈电气时间参数，V₁为处理器预设电压，Vcc为电源电压，本实施例中Vcc＝24V，RL为电磁阀阀芯电感线圈等效电阻值，RS为第六电阻阻值。

当t＝Ton时，即MOS管Q1正好关闭时，PWM功放电路输出电流达到最大峰值则通过调整处理器预设电压V1可以控制PWM功放电路输出电流。

同时，PWM功放电路输出电流波动由所述PWM功放电路输出电流波动公式可知，PWM功放电路输出电流波动与电源电压和电磁阀阀芯电气特性、开启时间有关，与温度和外界负载无关，故在电源电压稳定的情况下，所述PWM功放电路可以输出稳定的电流，即PWM调节阀的控制系统可以输出稳定电流，从而实现对调节阀阀门开度的精确控制，提高PWM调节阀的控制精度。

需要说明的是，PWM功放电路可输出的电流最大值当处理器预设电压V₁过大，则Im≥Icc，则比较器A3不能使触发器A2翻转，不能获得正确的PWM波形，故处理器预设电压需满足

所述PWM调节阀的控制系统工作过程如下：

振荡器A4为触发器A2提供时钟脉冲，C8051F040单片机预设控制电压V1，经12位数/模转换器DAC0输出至PWM功放电路的比较器A3的输入端，电磁阀阀芯的反馈电压V2接入比较器A3的另一输入端，比较器A3的输出端接入触发器A2，振荡器A4和比较器A3共同作用控制触发器A2输出高低变化的电平，经与门后输出PWM波形。在电源电压Vcc＝24V，V1＝0.7V的情况下，对本实施例所述PWM调节阀控制系统进行测试，获得的测试结果如图4所示，图4为本发明实施例1提供的PWM调节阀控制系统进行测试获得的PWM波形和反馈电压波形图。测试获得的具体数据为：PWM信号周期T＝1.321ms,PWM信号导通时间Ton＝833μs，PWM信号高电平值为4.14V。

本实施例的优选实施方式为所述PWM调节阀的控制系统还包括温度传感器，所述温度传感器与处理器电连接，获取PWM调节阀温度发送至处理器，当PWM调节阀温度过高时处理器报警。

本实施例的优选实施方式为所述与门采用7415TTL芯片。

本实施例的优选实施方式为所述比较器采用LM351芯片

需要说明的是，本实施例所述第六电阻R6优选1/3W绕线电阻，温度系数小，耐热性优。同时，与门输出的PWM信号高低电平变化使得MOS管Q1循环开启和关闭，PWM信号低电平时，第六电阻R6上没有反抗电流，故MOS管Q1和第六电阻R6发热都很低，故所述PWM功放电路无需额外增加散热装置，进而保证本实施例所述PWM调节阀的控制系统具有结构简单、体积小、功耗低的优点。

本发明的技术方案，处理器预设控制电压V1，并将其发送至PWM功放电路，PWM功放电路获取调节阀阀芯的反馈电压V2，并将V1与V2数值相比较，根据比较的结果输出相应的PWM信号驱动调节阀电磁铁，控制调节阀线圈中的电流，进而控制调节阀的阀门开度。所述PWM功放电路输出的PWM信号电流稳定，从而可以实现对调节阀阀门开度的精确控制，提高PWM调节阀的控制精度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种PWM调节阀的控制系统，包括处理器和PWM功放电路，所述PWM功放电路与处理器电连接，同时外接调节阀阀芯，其特征在于，所述PWM功放电路包括振荡器、触发器、比较器、与门、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一电容、第二电容、MOS管和二极管，其中，与门的第一输入端、第二输入端均连接外部电源正端，与门的第三输入端连接触发器的Q管脚，触发器的R管脚连接比较器输出端，触发器的S管脚连接振荡器输出端，比较器输入正端一路经第一电阻连接处理器的电压输出端，另一路经第二电阻接地，比较器输入负端经第五电阻连接MOS管的源极，振荡器输入端一路经第三电阻连接外部电源正端，另一路经第二电容接地，第一电容一端连接外部电源正端，另一端接地，与门输出端经第四电阻连接MOS管的栅极，MOS管的漏极连接电磁阀阀芯，MOS管的源极经第六电阻接地，二极管并联于电磁阀阀芯的两端，二极管的阳极连接MOS管的源极。

2.根据权利要求1所述的PWM调节阀的控制系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器与处理器电连接，用于获取PWM调节阀温度发送至处理器。

3.根据权利要求1所述的PWM调节阀的控制系统，其特征在于，所述处理器采用C8051F040单片机。

4.根据权利要求1所述的PWM调节阀的控制系统，其特征在于，所述与门采用7415TTL芯片。

5.根据权利要求1所述的PWM调节阀的控制系统，其特征在于，所述比较器采用LM351芯片。