一种开环步进伺服控制器、伺服控制系统及伺服控制方法

摘要

本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种开环步进伺服控制器、伺服控制系统及伺服控制方法，伺服控制器包括：输入开关转换模块、控制信号转换模块、微处理器和步进驱动模块；输入开关转换模块，与微处理器连接，用于采集电动调节阀终端开、关位置信号；控制信号转换模块，与微处理器连接，用于将电动调节阀的控制模拟信号转换为控制数字信号；微处理器，分别与输入开关转换模块、控制信号转换模块和步进驱动模块连接，用于测算电控调节阀的实时阀位模拟信号、生成步进电机控制信号；步进驱动模块，与微处理器连接，用于对微处理器生成的控制信号进行数据处理，生成步进电机驱动信号。本发明能够精确定位、快速响应、稳定可靠地控制。

说明书

技术领域

本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种开环步进伺服控制器、 伺服控制系统及伺服控制方法。

背景技术

电动调节阀具有调节精度高，与先进自动化控制系统融合程度好，控 制方式灵活，可以实现数字化控制和集散控制；具有结构简单，体积小优 点；替代气动调节器应用，摆脱了辅助压缩空气系统和调节器零位系统， 降低了能耗和维护成本。随着第一代电动调节阀在工程全面应用，也显露 出亟待改进的一些不足之处：

第一代电动调节阀电机使用交流同步减速电机，调节阀角行程正常为 匀速运动，从而使得调节过程的动态响应范围窄，当工艺有较大波动或输 入变化较大时会出现调节输出不能跟随控制输入，从而引发调节控制输出 饱和，易触发级联事故保护动作。为更大范围的满足工艺自动调节需求， 电动调节阀的动态响应能力还须亟待提高。

由于采用的阀位传感器是接触式角行程检测元件，在工艺工况稳定情 况下，接触式阀位传感器长期在一个狭小工作区域高频次正、反向行程运 行，造成其工作区基片导电层在与电刷接触处形成磨损、压痕甚至发生断 痕。

阀位传感器与凸轮输出轴同轴度偏差随着运行时间增加而变大，加速 阀位传感器损坏速度，威胁工艺系统安全运行。

因此，亟待开发一种定位精确度高、响应速度快、稳定性好的控制技 术来控制电动调节阀，进而克服电动调节阀目前存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开环步进伺服控制器、伺服控制系统及伺 服控制方法，能够精确定位、快速响应、稳定可靠地控制。

实现本发明目的的技术方案：

一种开环步进伺服控制器，所述伺服控制器包括：输入开关转换模块、 控制信号转换模块、微处理器和步进驱动模块；输入开关转换模块，与微 处理器连接，用于采集电动调节阀终端开、关位置信号；控制信号转换模 块，与微处理器连接，用于将电动调节阀的控制模拟信号转换为控制数字 信号；微处理器，分别与输入开关转换模块、控制信号转换模块和步进驱 动模块连接，用于测算电控调节阀的实时阀位模拟信号、生成步进电机控 制信号；步进驱动模块，与微处理器连接，用于对微处理器生成的控制信 号进行数据处理，生成步进电机驱动信号。

进一步地，所述微处理器包括实时阀位开环信号转换模块和步进电机 控制模块；实时阀位开环信号转换模块，用于测算电控调节阀的实时阀位 模拟信号并计算获得当前实时阀位数字信号；步进电机控制模块，用于读 取、比较电动调节阀的控制数字信号和当前实时阀位数字信号，根据比较 结果生成步进电机控制信号。

进一步地，所述微处理器还包括调节模块，用于通过S形曲线变换方 程的加减速控制算法，实现电动调节阀实时阀位信号跟随控制信号调节功 能。

进一步地，所述微处理器还包括异常保护模块，用于监控微处理器的 供电电压，实现电压发生异常时，保存系统数据。

进一步地，所述异常保护模块为可编程电压监测器。

进一步地，所述异常保护模块包括EEPROM模块，EEPROM模块用于 保存掉电时步进电机当前位置。

进一步地，所述步进驱动模块为两相混合式步进电机驱动器。

进一步地，所述伺服控制器还包括操作模块，与微处理器连接，用于 在开环步进伺服控制器上实现电调阀现场控制参数修改和工作模式切换。

进一步地，所述伺服控制器还包括显示模块，与微处理器连接，用于 显示伺服控制器当前工作状态和实时阀位信号及电动调节阀的控制阀位信 号。

进一步地，所述伺服控制器还包括电源模块，与外部供电系统连接， 用于为伺服控制器供电。

进一步地，所述伺服控制器还包括I/O转换模块，与外部自控系统连接， 用于实现对伺服控制器现场工作状态、信息的采集和远控功能。

进一步地，所述I/O转换模块为USB接口或JTAG接口，用于实现外 部程序下装和通讯功能。

一种开环步进伺服控制系统，所述伺服控制系统包括：开环步进伺服 控制器、步进电机、电动调节阀和电动调节阀终端开关；电动调节阀终端 开关分别与电动调节阀和开环步进伺服控制器连接，用于控制电动调节阀 终端开、关位置并向开环步进伺服控制器输出电动调节阀终端开、关位置 信号；开环步进伺服控制器分别与电动调节阀终端开关和步进电机连接， 用于输出步进电机驱动信号；步进电机分别与开环步进伺服控制器和电动调节阀连接，用于根据驱动信号进行运转；电动调节阀与步进电机连接， 步进电机带动电动调节阀与其联动。

进一步地，所述电动调节阀包括蜗轮蜗杆传动机构，电动调节阀通过 蜗轮蜗杆传动机构与步进电机联动。

进一步地，所述电动调节阀终端开关为光感开关。

一种开环步进伺服控制方法，所述伺服控制方法包括：

步骤1、开环步进伺服控制器的输入开关转换模块采集电动调节阀终端 开、关位置信号，将电动调节阀终端开、关位置信号传送至实时阀位开环 信号转换模块；

步骤2、实时阀位开环信号转换模块接收输入开关转换模块传送的电动 调节阀终端开、关位置信号，根据电动调节阀终端开、关位置信号测算电 控调节阀的实时阀位模拟信号，并计算获得当前实时阀位数字信号，将当 前实时阀位数字信号传送至步进电机控制模块；

步骤3、控制信号转换模块接收电动调节阀的控制模拟信号，将电动调 节阀的控制模拟信号转换为控制数字信号，并将电动调节阀控制数字信号 传送至步进电机控制模块；

步骤4、步进电机控制模块读取电动调节阀控制数字信号和当前实时阀 位数字信号，并对电动调节阀控制数字信号和当前实时阀位数字信号进行 比较，根据比较结果生成步进电机控制信号，并将步进电机控制信号传送 至步进驱动模块；

步骤5、步进驱动模块接收步进电机控制模块传送的步进电机控制信 号，对步进电机控制信号进行数据处理，生成步进电机驱动信号，将步进 电机驱动信号传动至步进电机；

步骤6、步进电机接收步进驱动模块传送的步进电机驱动信号，根据步 进电机驱动信号进行运转。

进一步地，所述步骤4中，若电动调节阀控制数字信号数值大于当前 实时阀位数字信号数值，则步进电机控制模块生成的步进电机控制信号为 步进电机正转；若电动调节阀控制数字信号数值小于当前实时阀位数字信 号数值，则步进电机控制模块生成的步进电机控制信号为步进电机反转； 若电动调节阀控制数字信号数值等于当前实时阀位数字信号数值或在程序 设置的死区范围内，则继续读取电动调节阀控制数字信号。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的一种开环步进伺服控制器能够有效提高电动调节阀响 应速度、调节精度，增强调节阀跟随输入变化性能，扩大调节阀的输出动 态响应范围；

(2)本发明的一种开环步进伺服控制器去除原阀位传感器，消除其故 障率高问题，提工艺系统连续运行可靠性、经济性；

(3)本发明的一种开环步进伺服控制系统可以根据工艺节点电动调 节阀前后压差及管径大小，调整阀门运行时间，提高电动调节阀适应不同 工况能力；

(4)本发明的一种开环步进伺服控制系统安装结构简单，有效降低成 本，便于维护，采取多种接口方式，利于实现自动化管理，可以在以后的 工程建设中大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明所提供的一种开环步进伺服控制系统的模块框图；

图2为本发明所提供的一种开环步进伺服控制器的微处理器的模块框 图；

图3为本发明所提供的一种开环步进伺服控制器中控制信号转换模块 时序图；

图4为本发明所提供的一种开环步进伺服控制器中调节模块中涉及的 S形曲线图；

图5为本发明所提供的一种开环步进伺服控制器中，工作电源欠压触 发PVD功能，使现场控制器处于就地工作模式时，异常保护模块的PVD 控制图；

图6为本发明所提供的一种开环步进伺服控制器中，现场控制器异常 重启后触发POR功能，进入就地工作模式时，异常保护模块的PVD控制 图。

图中：1-开环步进伺服控制器；2-步进电机；3-电动调节阀；4-电动调 节阀终端开关；11-输入开关转换模块；12-控制信号转换模块；13-微处理 器；14-步进驱动模块；15-操作模块；16-显示模块；17-电源模块；18-I/O 转换模块；131-实时阀位开环信号转换模块；132-步进电机控制模块；133- 调节模块；134-异常保护模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-2所示，本发明提供的一种开环步进伺服控制器，所述伺服控制 器包括：输入开关转换模块11、控制信号转换模块12、微处理器13、步进 驱动模块14、操作模块15、显示模块16、电源模块17和I/O转换模块18， 微处理器13包括实时阀位开环信号转换模块131、步进电机控制模块132、 调节模块133和异常保护模块134。

输入开关转换模块11，与微处理器13连接，用于采集电动调节阀终端 开、关位置信号；控制信号转换模块12，与微处理器13连接，用于将电动 调节阀的控制模拟信号转换为控制数字信号；微处理器13，分别与输入开 关转换模块11、控制信号转换模块12和步进驱动模块14连接，用于测算 电控调节阀的实时阀位模拟信号、生成步进电机控制信号；步进驱动模块 14，与微处理器13连接，用于对微处理器13生成的控制信号进行数据处 理，生成步进电机驱动信号，所述步进驱动模块14为两相混合式步进电机 驱动器；所述伺服控制器还包括操作模块15，与微处理器13连接，用于在 开环步进伺服控制器上实现电调阀现场控制参数修改和工作模式切换；所 述伺服控制器还包括显示模块16，与微处理器13连接，用于显示伺服控制 器当前工作状态和实时阀位信号及电动调节阀的控制阀位信号；所述伺服 控制器还包括电源模块17，与外部供电系统连接，用于为伺服控制器供电； 所述伺服控制器还包括I/O转换模块18，与外部自控系统连接，用于实现 对伺服控制器现场工作状态、信息的采集和远控功能，所述I/O转换模块 18为USB接口或JTAG接口，用于实现外部程序下装和通讯功能。

控制信号转换模块12，在开始ADC转换和14个时钟周期后，EOC标 志被设置，12位ADC数据寄存器包含转换的结果，ADC在开始精确转换 前需要一个稳定时间T

时序图如图3所示，图中：ADC：数模信号转换；ADC_CLK：模数信 号转换时钟；SETADON：设置模数转换时钟；ADC power on：模数转换 触发；Start 1

在ADC初始化设置时，首先开启AHB外设时钟使能寄存器DMA1时 钟，定义转换数据量，设置DMA的通道1的初始化，独立地选择通道的采 样时间，在通道1设置看门狗，开启ADC1并启动转换，应用连续转换模 式，使用DMA模式，接着便开始转换规则通道，完成由模拟量到数据量的 转变。由于控制信号转换模块12选用STM32芯片自带12位精度ADC， 其采样和A/D转换速度由原先10微秒提升到5微秒，提高了电动调节阀响 应速度和调节精度。

如图2所示，微处理器13包括实时阀位开环信号转换模块131、步进 电机控制模块132、调节模块133和异常保护模块134。

实时阀位开环信号转换模块131，用于测算电控调节阀的实时阀位模拟 信号并计算获得当前实时阀位数字信号。

依据电动调节阀机械零点、机械满点位置安装并调整好终端光电开关， 在现场电动调节阀开环步进伺服控制器设定控制步进电机转速频率，该值 参考所处工艺节点电动调节阀运行时间，电动调节阀运行时间的计算公式 如下：

其中，细分数是指对步进电机的步距角进行细分，没有细分时的步进 电机的步距角为1.8度，其细分数为1，即一个脉冲步进电机转1.8度。

在满足安全操作基础上，操作电动调节阀往复全行程运行，此时电动 调节阀现场伺服控制器实时阀位开环信号转换模块131会测算电控调节阀 的实时阀位模拟信号，自动标定总步进数，并将全关位置标定为起始步进 数，对应数值为0％，并将全开位置标定为终止步进数，对应数值为100％。 根据当前步进数计算获得当前实时阀位信号值，当前虚拟实时阀位信号值 的计算公式如下：

终止步进数-起始步进数＝总步进数

一旦总步进数确定也就是电动调节阀的总行程确定，这个值是不变的， 是确认当前实际阀位的基准。

采用实时阀位开环信号转换模块131，首先去除原阀位传感器闭环回 路，实现当前阀位实时测算，既提高电动调节阀运行可靠性又便于控制。 同时通过改变电动调节阀运行形成时间，改变电动调节阀步进电机控制脉 冲基频，实现转速可控可调，提高电动调节阀对工艺工况的适应能力和响 应速度，消除了原阀位传感器闭环控制故障率高的问题。

步进电机控制模块132，用于读取、比较电动调节阀的控制数字信号和 当前实时阀位数字信号，根据比较结果生成步进电机控制信号。

步进电机控制模块132读取控制信号转换模块12传送的电动调节阀的 控制数字信号和实时阀位开环信号转换模块131传送的当前实时阀位数字 信号，并对二者进行比较，进而对步进电机正反运转的控制。若电动调节 阀控制数字信号数值大于当前实时阀位数字信号数值，则步进电机控制模 块132生成的步进电机控制信号为步进电机正转；若电动调节阀控制数字 信号数值小于当前实时阀位数字信号数值，则步进电机控制模块132生成 的步进电机控制信号为步进电机反转；若电动调节阀控制数字信号数值等 于当前实时阀位数字信号数值或在程序设置的死区范围内，则继续读取电 动调节阀控制数字信号。否则重新计算显示。

调节模块133，用于通过S形曲线变换方程的加减速控制算法，实现电 动调节阀实时阀位信号跟随控制信号调节功能。

由于在本发明应用的被控制对象是气体，快速调节会引起自激现象， 采用步进电机时，一方面容易在启动时发生堵转现象,另一方面在快速转动 对工艺流体影响较大，步进电机的各类常用算法中S形曲线是非常平滑的， 会得到速度连续，加速度也连续的调速过程，但由于S形曲线方程加速过 程较长，不完全适合本发明，因此本发明采用运行方式为S形曲线变换方 程的加减速控制算法，实现步进电机转速与被控对象特性匹配。S形曲线变换方程的推导过程具体如下：

S型曲线的方程如下:

S型曲线在[-5，5]的图形如图4所示，显然，[-5,5]这段曲线加速过程 较长，不太合适本发明，故对S型曲线的方程进行修改。

方程在XY坐标系进行平移，同时对曲线进行拉升变化：

其中的A分量在y方向进行平移，B分量在y方向进行拉伸，ax+b分 量在x方向进行平移和拉伸。

起始点增益：最低频率(freq_min)；

最大增益：最高频率(freq_max)；

横轴范围：0～t；

对横坐标做平移变换，然后伸缩变换，再对纵坐标做伸缩变换便得到S 型曲线变换方程如下：

调节模块133实时检测当前电动调节阀控制信号和实时阀位信号的斜 率变化大小，根据该S型曲线变换方程的加减速控制算法，实现电动调节 阀实时阀位信号跟随控制信号调节功能，完成电动调节阀实时调节控制， 并判断当前电动调节阀控制信号和实时阀位信号及其通道的正确性和真实 性，一旦发生信道断路或异常，及时将伺服控制器置于就地工作方式，确 保工艺系统绝对安全。

异常保护模块134，用于监控微处理器13的供电电压，实现电压发生 异常时，保存系统数据。

异常保护模块134包括EEPROM模块，EEPROM模块用于保存掉电时 步进电机当前位置，避免步进电机可能在控制板断电时无法保存当前步进 数的问题。EEPROM芯片采用的是24C02，该芯片的容量为2Kb。通过工 作电源监控电路实时工作电源稳定性，当电源波动范围大于设定值或发生 掉电时，及时寄存当前阀位数值，并将伺服控制器置于就地工作方式，同 时上传现场异常信号。

当电压过低时，异常保护模块134对系统的一些数据使用掉电不丢失 的EEPROM保存起来，同时对外设进行相应的保护操作。

如图5-6所示，异常保护模块134为可编程电压监测器(Programmable VotageDetector，PVD)。图5为本发明所提供的一种开环步进伺服控制器 中，工作电源欠压触发PVD功能，使现场控制器处于就地工作模式时，异 常保护模块的PVD控制图；图6为本发明所提供的一种开环步进伺服控制 器中，现场控制器异常重启后触发POR功能，进入就地工作模式时，异常 保护模块的PVD控制图；图5、图6中涉及的PVD控制保护参数说明参见 表1。

表1 PVD控制保护参数说明

PVD的工作原理具体如下：

PVD用于监视供电电压，在供电电压下降到给定的阀值以下时，产生 一个中断，通知软件做紧急处理。在表1的上半部分为可编程的监视阀值 数据。当供电电压又恢复到给定的阀值以上时，也会产生一个中断，通知 软件供电恢复。供电下降的阀值与供电上升的PVD阀值有一个固定的差值， 该差值即为PVD迟滞(V

如图6所示，上电复位(Power On Reset，POR)的功能为在供电电压 (VDD)由低向高上升越过规定的阀值之前，保持芯片复位，当越过规定 的阀值后的一小段时间后，及图6中的“滞后时间”或表1的“复位迟滞”， 结束复位并取复位向量，开始执行指令。表1中倒数第4行(min＝1.8， typ＝1.88，max＝1.96)即为该阈值。掉电复位(Power Down Reset，PDR)的 功能为在VDD电压由高向低下降越过规定的阀值后，将在芯片内部产生复 位，表1中倒数第3行(min＝1.84，typ＝1.92，max＝2.0)即为该阈值。显然， POR比PDR大了0.04V，该数值即为PDR迟滞，即表1中倒数第2行， VPDRhyst(PDR迟滞)＝40mV。

当VDD上升越过POR阀值时，内部并不马上结束复位，而是等待一 小段时间，即复位迟滞(Reset temporization)，即表1中的最后一行T

PVD通过监控供电电压VDD，对电路实时工作电源稳定性进行监控， 当电源波动范围大于设定值或发生掉电时，及时寄存当前阀位数值，并将 伺服控制器置于就地工作方式，同时上传现场异常信号。

如图1所示，本发明提供的一种开环步进伺服控制系统，所述伺服控 制系统包括：开环步进伺服控制器1、步进电机2、电动调节阀3和电动调 节阀终端开关4。

电动调节阀终端开关4为光感开关，分别与电动调节阀3和开环步进 伺服控制器1连接，用于控制电动调节阀3终端开、关位置并向开环步进 伺服控制器1输出电动调节阀终端开、关位置信号。

对应于调节阀的全关、全开位置，终端位置检测元件，即电动调节阀 终端开关4的定位精度直接决定电动调节阀位置伺服精度。本发明的开环 步进伺服控制器1，其阀位开度值计算是参照于全关、全开终端位置的定位 精度和稳定性，而光感开关的定位精度高，输出响应快，电信号一致性和 稳定性非常好。

开环步进伺服控制器1分别与电动调节阀终端开关4和步进电机2连 接，用于输出步进电机驱动信号。

步进电机2分别与开环步进伺服控制器1和电动调节阀3连接，用于 根据驱动信号进行运转。

电动调节阀3包括蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构与步进电机2 连接，电动调节阀3通过蜗轮蜗杆传动机构与步进电机2联动。

如图1和图2所示，本发明提供的一种开环步进伺服控制方法，所述 伺服控制方法包括：

步骤1、开环步进伺服控制器1的输入开关转换模块11采集电动调节 阀终端开、关位置信号，将电动调节阀终端开、关位置信号传送至微处理 器13中的电动调节阀实时阀位开环信号转换模块131；

步骤2、微处理器13中的实时阀位开环信号转换模块131接收输入开 关转换模块11传送的电动调节阀终端开、关位置信号，根据电动调节阀终 端开、关位置信号测算电控调节阀的实时阀位模拟信号，并计算获得当前 实时阀位数字信号，将当前实时阀位数字信号传送至步进电机控制模块 132；

步骤3、控制信号转换模块12接收电动调节阀的控制模拟信号，将电 动调节阀的控制模拟信号转换为控制数字信号，并将电动调节阀控制数字 信号传送至步进电机控制模块132；

步骤4、步进电机控制模块132读取电动调节阀控制数字信号和当前实 时阀位数字信号，并对电动调节阀控制数字信号和当前实时阀位数字信号 进行比较，若电动调节阀控制数字信号数值大于当前实时阀位数字信号数 值，则步进电机控制模块132生成的步进电机控制信号为步进电机2正转； 若电动调节阀控制数字信号数值小于当前实时阀位数字信号数值，则步进 电机控制模块132生成的步进电机控制信号为步进电机2反转；若电动调节阀控制数字信号数值等于当前实时阀位数字信号数值或在程序设置的死 区范围内，则继续读取电动调节阀控制数字信号，最后将步进电机控制信 号传送至步进驱动模块14；

步骤5、步进驱动模块14接收步进电机控制模块132传送的步进电机 控制信号，对步进电机控制信号进行数据处理，生成步进电机驱动信号， 将步进电机驱动信号传动至步进电机2；

步骤6、步进电机2接收步进驱动模块14传送的步进电机驱动信号， 根据步进电机驱动信号进行运转。

如图1和图2所示，本发明提供的一种电动调节阀3的开环步进伺服 控制系统的操作过程如下：

(1)通过电源模块17给开环步进伺服控制器1通电，检查开环步进 伺服控制器1的初始状态(包括现场伺服控制器处于就地工作状态，阀位 保持不变、向外部输出就地工作状态信号)的正确性；

(2)通过电动调节阀终端开关4控制电动调节阀3，使电动调节阀3 由全关至全开，再由全开至全关，反复几次校正机械零点、满点与电气零 点、满点一致性；

(3)设定步进电机控制脉冲频率，记录、标定起始步进数、终止步进 数、阀门运行时间等关键基准参数；

(4)就地手动操作电动调节阀3，检查阀位信号线性度和稳定性；

(5)断开、闭合开环步进伺服控制器1通电电源，验证实时阀位保持 功能；

(6)将电动调节器置于远控手动控制方式，实现远控手动关闭电动调 节阀3；

(7)确认电动调节阀3处于关闭状态；

(8)远控手动接通开环步进伺服控制器1，缓慢投入电动调节阀3运 行；

(9)在压力达到控制值时、将电动调节阀3投入自动工作模式，由控 制信号转换模块12发出电动调节阀控制信号，实现阀位开度调节功能；

(10)改变被控压力设定值参数，验证电动调节阀实时阀位信号跟随 控制信号调节功能。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于 上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱 离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可 以采用现有技术。