CN212028698U - 一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电动执行机构技术领域，具体地说，是一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，由主芯片电路，模拟量输入输出电路，开关量输入和输出电路、电源电路，相序缺相检测电路，温控电路，红外遥控电路，电位器行程检测电路，按键检测电路，液晶显示电路，电机驱动模块组成，该控制模块分为两个模组，分别为主控模组和电源板模组，二者之间采用接插件连接，本实用新型主要是作为SND‑QE系列电动执行机构的核心控制部件，该控制模块采用工业级微处理器MCU芯片，具备强大的运算能力，电机驱动采用了固态继电器，克服了三相交流接触器的触点拉弧烧结的致命缺陷，大大提高了产品的可靠性。

Description

一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块

技术领域

本实用新型涉及电动执行机构技术领域，具体地说，是一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块。

背景技术

对于执行机构最广泛的定义是：一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。其基本类型有部分回转(Part-Turn)、多回转(Multi-Turn)及直行程(Linear)三种驱动方式，目前普遍存在三相交流接触器的触点拉弧烧结的致命缺陷。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型披露了一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，主要是作为SND-QE系列电动执行机构的核心控制部件，该控制模块采用工业级微处理器MCU芯片，具备强大的运算能力，电机驱动采用了固态继电器，克服了三相交流接触器的触点拉弧烧结的致命缺陷，大大提高了产品的可靠性。

本实用新型材料的具体技术方案如下：

一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，主要由主芯片电路，模拟量输入输出电路，开关量输入和输出电路、电源电路，相序缺相检测电路，温控电路，红外遥控电路，电位器行程检测电路，按键检测电路，液晶显示电路，电机驱动模块等组成。主芯片电路负责所有的输入输出信号检测、控制和运算，是整个控制模块的大脑；模拟量输入输出电路分别用于开度调节信号的检测和阀位的反馈输出；开关量输入和输出分别用于接点信号的检测（如开关指令、限位开关信号、过热信号等等）和状态输出（开关到位信号、故障信号、现场远控信号等等）；电源电路将380V或220V交流供电电源转换为24V和5V内部直流电源；相序缺相检测电路保证电机的正常运行方向；温控电路用于控制器部分的加热和除湿，使控制模块工作在相对合适的工作环境；红外遥控电路用于检测电动执行机构的红外遥控器控制指令；电位器行程检测电路用于检测阀门的行程位置；按键信号检测电路用于现场开关停操作、现场远控切换和设定；液晶显示电路可以显示电动执行机构的状态、操作方式以及设定菜单；电机驱动模块负责电机的驱动和换向。

本实用新型的进一步改进，该控制模块可分为两个模组，分别为主控模组和电源板模组，二者之间采用接插件连接，其中主控模组功能：显示阀位信号、运行状态、信号的输出输入、运行控制、故障检测、接收红外遥控信号等；电源模组功能：三相电源相序检测及自动调整、缺相检测、电压转换、输入输出接点控制等。

本实用新型的进一步改进，该控制模块的主芯片采用AVR公司的ATmega64A芯片，该芯片是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。主芯片电路是智能型电动执行机构的控制核心，所有的输入信号的采集、控制逻辑的运算、控制命令的输出和状态报警信号的反馈都要通过它来完成。

本实用新型的进一步改进，模拟量输入电路作为电动执行机构的开度给定信号，在精度和稳定性方面要求较高，在电流采样电路上采用阻值为120欧姆(R10)的高精度电阻，两端有电容滤波防干扰；模拟量输出电路用于给用户输出电动执行机构的开度，便于用户系统感知电动执行机构的实时开度，该电流输出信号需要具备一定的负载能力，该电路设计采用双运放结构，大大提高了其负载能力和稳定性。

本实用新型的进一步改进，开关量输入主要有远程开关量控制信号：分别对应开、关、停和ESD（紧急自保），另外还有一组电机过热信号，这些输入信号均通过继电器实现隔离，开关量输出主要有：全关到位、全开到位、远控状态、综合故障报警（包括电机过热、机械故障、电源缺相等）。

本实用新型的进一步改进，电源电路将交流电通过变压器转为直流电，分为两路直流电源输出，一组24V直流用于主控芯片的工作及主要检测电路，另外一组24V直流电用于外部输入信号的驱动部分，采用两组隔离的直流电源，可以有效防止电动执行机构的外部信号对其控制模块的干扰，极大地提高了控制模块的。

本实用新型中的相序缺相检测和温控电路是以Atmel公司的低功耗8位CMOS微控制器Attiny24A为控制核心，相序检测是结合一种简单高效的三相电电源整流、隔离、滤波处理的检测电路，通过高效率的程序算法可以精准快速的确定相序及是否缺相，该方法克服了传统电路检测方法的抗干扰性差、无法定制、电路复杂、故障率高等缺点，更好的为电动执行机构保驾护航。温控电路是以一篇负温度系数的NTC热敏电阻作为温度传感器，Attiny24A实时采集NTC的温度，当电动执行机构内部温度低于下限时时，打开加热电阻对内部空间加热，当内部温度高出上限时，停止加热。

本实用新型中的红外遥控电路主要由一体化红外接收头HS0038组成，它把收到的红外信号经内部处理并解调复原，输出一定的方波。HS0038的1脚GND接电源地，2脚VCC接+5V， 3脚OUT为数据输出端(TTL电平反相输出)，直接与主控芯片引脚相连。红外接收头HS0038,需在电源脚上串联电阻330欧,对地并联10uf电容.防止红外信号对电源的干扰。

由于部分回转电动执行机构机构一般情况下只需要转动90度，因此，该设计中，电动执行机构的开度检测采用单圈高精度电位器，为了提高行程检测精度，电位器两端的供电电压由专门的高精度稳压芯片独立供2.5V电压，电位器的输出电压信号通过滤波与主控芯片AD检测引脚相连。

本实用新型的进一步改进，按键电路采用的是磁感应霍尔开关，霍尔开关具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点。采用霍尔开关还可以在外部机构不穿孔的情况下实现开关操作，可有效的抗外部电磁干扰，对环境湿度，灰尘等无大影响，可靠性高，所以非常适合用于智能型电动执行机构，既缩小了空间，又使外壳防护等级和隔爆的设计更加简单。

本实用新型共有5个霍尔开关，分别为开、关、现场、远控、设定。通过开关开关的组合切换，可以实现执行机构的现场操作和参数设置。

本实用新型的液晶显示采用的是一块定制的段码液晶屏，可以简单明了的显示电动执行机构的控制方式，实时开度，各种故障代码，设定项目等内容。

附图说明

图1是本实用新型的系统框图

图2是本实用新型控制模块的组成结构图。

图3是本实用新型中的主芯片电路图。

图4是本实用新型中模拟量输入检测电路图。

图5是本实用新型中模拟量输出电路图。

图6是本实用新型中红外遥控电路图。

图7是本实用新型使用到的软件主程序流程图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

实施例：如图1所示，一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，主要由主芯片电路，模拟量输入输出电路，开关量输入和输出电路、电源电路，相序缺相检测电路，温控电路，红外遥控电路，电位器行程检测电路，按键检测电路，液晶显示电路，电机驱动模块等组成。主芯片电路负责所有的输入输出信号检测、控制和运算，是整个控制模块的大脑；模拟量输入输出电路分别用于开度调节信号的检测和阀位的反馈输出；开关量输入和输出分别用于接点信号的检测（如开关指令、限位开关信号、过热信号等等）和状态输出（开关到位信号、故障信号、现场远控信号等等）；电源电路将380V或220V交流供电电源转换为24V和5V内部直流电源；相序缺相检测电路保证电机的正常运行方向；温控电路用于控制器部分的加热和除湿，使控制模块工作在相对合适的工作环境；红外遥控电路用于检测电动执行机构的红外遥控器控制指令；电位器行程检测电路用于检测阀门的行程位置；按键信号检测电路用于现场开关停操作、现场远控切换和设定；液晶显示电路可以显示电动执行机构的状态、操作方式以及设定菜单；电机驱动模块负责电机的驱动和换向。

该控制模块可分为两个模组，分别为主控模组和电源板模组，二者之间采用接插件连接，如图2所示，其中主控模组功能：显示阀位信号、运行状态、信号的输出输入、运行控制、故障检测、接收红外遥控信号等；电源模组功能：三相电源相序检测及自动调整、缺相检测、电压转换、输入输出接点控制等。

该控制模块的主芯片采用AVR公司的ATmega64A芯片，该芯片是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

主芯片电路是智能型电动执行机构的控制核心，所有的输入信号的采集、控制逻辑的运算、控制命令的输出和状态报警信号的反馈都要通过它来完成。其电路原理图如图3所示。

模拟量输入电路作为电动执行机构的开度给定信号，在精度和稳定性方面要求较高，在电流采样电路上采用阻值为120欧姆(R10)的高精度电阻，两端有电容滤波防干扰，电路如图4。

模拟量输出电路用于给用户输出电动执行机构的开度，便于用户系统感知电动执行机构的实时开度，该电流输出信号需要具备一定的负载能力，如图5所示，该电路设计采用双运放结构，大大提高了其负载能力和稳定性。

开关量输入主要有远程开关量控制信号：分别对应开、关、停和ESD（紧急自保），另外还有一组电机过热信号，这些输入信号均通过继电器实现隔离。

开关量输出主要有：全关到位、全开到位、远控状态、综合故障报警（包括电机过热、机械故障、电源缺相等）。

电源电路将交流电通过变压器转为直流电，分为两路直流电源输出，一组24V直流用于主控芯片的工作及主要检测电路，另外一组24V直流电用于外部输入信号的驱动部分，采用两组隔离的直流电源，可以有效防止电动执行机构的外部信号对其控制模块的干扰，极大地提高了控制模块的稳定性。

相序缺相检测和温控电路是以Atmel公司的低功耗8位CMOS微控制器Attiny24A为控制核心，相序检测是结合一种简单高效的三相电电源整流、隔离、滤波处理的检测电路，通过高效率的程序算法可以精准快速的确定相序及是否缺相，该方法克服了传统电路检测方法的抗干扰性差、无法定制、电路复杂、故障率高等缺点，更好的为电动执行机构保驾护航。温控电路是以一篇负温度系数的NTC热敏电阻作为温度传感器，Attiny24A实时采集NTC的温度，当电动执行机构内部温度低于下限时时，打开加热电阻对内部空间加热，当内部温度高出上限时，停止加热。

红外遥控电路主要由一体化红外接收头HS0038组成，它把收到的红外信号经内部处理并解调复原，输出一定的方波。HS0038的1脚GND接电源地，2脚VCC接+5V， 3脚OUT为数据输出端(TTL电平反相输出)，直接与主控芯片引脚相连。红外接收头HS0038,需在电源脚上串联电阻330欧,对地并联10uf电容.防止红外信号对电源的干扰。电路如图6所示。

由于部分回转电动执行机构机构一般情况下只需要转动90度，因此，该设计中，电动执行机构的开度检测采用单圈高精度电位器，为了提高行程检测精度，电位器两端的供电电压由专门的高精度稳压芯片独立供2.5V电压，电位器的输出电压信号通过滤波与主控芯片AD检测引脚相连。

按键电路采用的是磁感应霍尔开关，霍尔开关具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点。采用霍尔开关还可以在外部机构不穿孔的情况下实现开关操作，可有效的抗外部电磁干扰，对环境湿度，灰尘等无大影响，可靠性高，所以非常适合用于智能型电动执行机构，既缩小了空间，又使外壳防护等级和隔爆的设计更加简单。

本设计共有5个霍尔开关，分别为开、关、现场、远控、设定。通过开关开关的组合切换，可以实现执行机构的现场操作和参数设置。

本设计的液晶显示采用的是一块定制的段码液晶屏，可以简单明了的显示电动执行机构的控制方式，实时开度，各种故障代码，设定项目等内容。

本设计的电机驱动采用无火花固态继电器，相比传统的交流接触器，在性能和体积上具有很大优势，这里，固态继电器的驱动是使用光耦来驱动的，也起到了一定的隔离作用。

如图7所示，控制模块的主程序流程图，本控制模块实现的功能如下：

（1）对电位器行程的位置数据进行采集，来确定执行机构全开和全关的位置；

（2）对机械力矩开关量信号进行判断；

（3）获取现场、远控和紧急自保（ESD）的控制指令；

（4）获取用户给定的4-20MA电流信号，并转换成相应的开关指令；输出实时阀位的4-20MA电流输出；

（6）运行控制：根据预先设好的控制方式进行逻辑运算，对执行机构进行开向、关向和停止运行的操作；

（7）状态输出：通过运算生成和输出各种输出接点和报警信号。

（8）液晶显示：开度、控制方式、现场远控、设定菜单、故障代码等等。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，由主芯片电路，模拟量输入输出电路，开关量输入和输出电路、电源电路，相序缺相检测电路，温控电路，红外遥控电路，电位器行程检测电路，按键检测电路，液晶显示电路，电机驱动模块组成。

2.根据权利要求1所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，该控制模块分为两个模组，分别为主控模组和电源板模组，二者之间采用接插件连接。

3.根据权利要求1或2所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述主芯片采用AVR公司的ATmega64A芯片。

4.根据权利要求3所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述模拟量输入电路在电流采样电路上采用阻值为120欧姆的高精度电阻，两端有电容滤波防干扰；所述模拟量输出电路设计采用双运放结构。

5.根据权利要求4所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述开关量输入电路设置有远程开关量控制信号，分别对应开、关、停和ESD，另外还有一组电机过热信号，这些输入信号均通过继电器实现隔离；所述开关量输出电路设置有全关到位、全开到位、远控状态、综合故障报警支路。

6.根据权利要求5所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述电源电路将交流电通过变压器转为直流电，分为两路直流电源输出，一组24V直流用于主控芯片的工作及主要检测电路，另外一组24V直流电用于外部输入信号的驱动部分。

7.根据权利要求6所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述相序缺相检测和温控电路是以Atmel公司的低功耗8位CMOS微控制器Attiny24A为控制核心，相序检测是结合一种简单高效的三相电电源整流、隔离、滤波处理的检测电路。

8.根据权利要求7所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述红外遥控电路主要由一体化红外接收头HS0038组成，HS0038的1脚GND接电源地，2脚VCC接+5V， 3脚OUT为数据输出端，直接与主控芯片引脚相连。

9.根据权利要求8所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述电位器行程检测电路采用单圈高精度电位器，电位器两端的供电电压由专门的高精度稳压芯片独立供2.5V电压，电位器的输出电压信号通过滤波与主控芯片AD检测引脚相连。

10.根据权利要求9所述的精巧型智能型部分回转电动执行机构控制模块，其特征在于，所述按键检测电路采用的是磁感应霍尔开关。

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