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摘要：为了实现对分置式燃气供热系统中热交换器进水流量的精确调节，设计了一种以ULN2003为驱动芯片、以水流量比例调节阀为执行机构、以IAP15W4K58S4为控制器的单片机控制系统。本文详细介绍了该控制系统的硬件和软件设计，为了应对现场复杂的环境，在软件控制策略上做了进一步的优化。实际现场应用表明，优化后的控制策略大大的提高了系统的可靠性，并降低了维护成本。
关键词：步进电机；水流量比例调节阀；ULN2003；IAP15W4K58S4；热交换器
Abstract： In order to achieve the precise adjustment of heating exchanger inlet water flow in the decentralized gas heating systems, An ULN2003 as a drive chip, A Water flow ratio regulator as an actuator, an IAP15W4K58S4 as a controller, a single-chip microcomputer control system was designed. The hardware and software of the control system design are detail introduced, in order to cope with the complex surroundings, the software control strategy was further optimized. Actual field application shows that the optimized control strategy was greatly improved the reliability of the system, and reduced the maintenance cost.
Key words: Stepping Motor；Water flow proportional adjusting valve；ULN2003；IAP15W4K58S4；Heat-Exchanger
引言
在集中供热系统中，热水管网经过多级管网及换热设备，最终进入住户家庭，相较于分置式供热系统，其响应时间慢、大滞后性、住户温度不可控、浪费能源等缺点都与我国提倡的节能环保相冲突[1]。四相八拍步进电机因其控制简单、价格低、维护容易、定位精度高、控制成本低等特点而得到广泛应用。特别是应用于分置式供热系统中换热器一次进水开度的调节上，其可实现对一次进水流量的精确调节从而达到精准分配住户热量的目的。对于步进电机其输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数 （即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向[2]。本文根据四相八拍步进电机的上述特性设计了由其及减速齿轮和铜阀体构成的水流量比例调节阀的控制系统，并根据该系统在实际现场应用中出现的问题做了针对性的改善及优化。
1 硬件电路设计
1.1 总体设计
本系统由微控制器IAP15W4K58S4、驱动芯片ULN2003、水流量比例调节阀ST16-12A组成。系统的基本工作原理是依据水流量比例调节阀中四相八拍步进电机的工作机理，使用IAP15W4K58S4单片机的4个通用I/O口向ULN2003输出一定频率的高低电平序列，从而驱动水流量比例调节阀的旋转，当水流量比例调节阀的开度达到最大时，其内部的霍尔传感器芯片EW-450B输出低电平，单片机检测到该低电平时控制4个通用I/O口同时输出低电平，水流量比例调节阀停止旋转。根据调节阀从全关到全开总的节拍数720，可以精准的计算出阀门的开启度数，从而实现水流量比例调节阀的精准控制。系统总体设计框图如图1，其中线框部分表示水流量比例调节阀。
图1 系统框图
1.2 水流量比例调节阀
本系统中使用的水流量比例调节阀的型号为ST16-12A，其额定工作电压为DC24V，最大工作电流8mA（DC24V）。它由四相八拍步进电机、减速传动齿轮机构、磁性体、内部霍尔元件EW-450B，及铜阀体构成。其装在换热器一次进水管处，用于调节供暖进水流量，通过调节步进电机组件的转动来调节流量调节组件，从而对进水流量起到调整作用。其总节拍数为720拍，总开度为315°，当阀体由315°转到0°表示调节阀从关闭到开启的一个完整过程。阀体在0°时，装在齿轮上的磁性体旋转到霍尔元件EW-450B芯片的上方，霍尔元件输出低电平，表示开度已达到最大。通过对开度大小的调节，可满足不同流量控制要求，达到精准调节换热器一次进水流量的目的。水流量比例调节阀的外形及连接方式如图2所示
图2 水流量比例调节阀示意图
水流量比例调节阀的核心部件为内部的四相八拍步进电机，图3为四相八拍步进电机的内部励磁线圈示意图。
图3 四相八拍步进电机励磁线圈
步进电机可以将电脉冲转换成特定的旋转运动，当它收到一个脉冲信号后，就会按照设定的方向转动一个固定的角度，通过控制脉冲频率则可以控制电机的速度和加速度，达到调速的目的。当步进电机旋转至0°位置时，换热器一次测进水阀处于全开状态，霍尔输出信号为低。当步进电机旋转至315°时，换热器一次测进水阀处于全关状态，此时无霍尔信号输出。
1.3 主控芯片
本系统电路中主控芯片采用基于8051增强型内核的IAP15W4K58S4单片机，其片内自带高精度R/C时钟，片内含有58K Byte Flash和4K Byte SRAM具有宽电压2.5V～5.5V，正常工作模式电流为4～6mA、宽温度范围，-40℃～+85℃，抗干扰能力强，通用I/O口可由软件配置成4种工作模式之一：准双向口、推挽输出、仅为输入（高阻）和开漏[3]，这些特性完全满足本设计的需求。
1.4 驱动芯片
因为单片机I/O口输出电流能力有限，无法满足驱动步进电机的要求，在本系统电路中采用具有反向逻辑的达灵顿晶体管阵列ULN2003芯片驱动比例调节阀，该芯片包含7组NPN型达灵顿晶体管，单个达林顿晶体管额定集电极输出电流可达500mA，在关态时能够承受50V电压，并具有共阴极输出钳位二极管，非常适合应用于电感型负载，其完全满足本系统的设计要求。
1.5 电路原理图
根据控制目标及要求，结合芯片Datasheet说明，设计了换热器一次测进水流量比例调节阀控制装置的电路，其电路原理图如图4。
图4 水流量比例调节阀控制原理图
原理图中P1为程序下载接口，P2为连接水流量比例调节阀接口。为了说明整个系统的工作原理，将集成在比例调节阀中的单极性霍尔元件EW-450B在原理图中以U3表示。单极性霍尔元件EW-450B输入电压范围为DC3-26.4V，本设计中EW-450B的输入工作电压为采用DC24V供电，芯片内部集成了稳压器，当霍尔效应开关达到工作点（6mT）时，通过内部运算放大器放大信号、施密特触发器触发三极管基极，此时三极管导通，对集电极开路输出口加10k上拉电阻后，单片机通过检测输出的电平，导通为低电平，来判断步进电机行程是否到位。在本设计中因普通二极管的工作频率在3kHz以下，如果单片机端口输出电平变化过快时，将导致步进电机发热。而快速恢复二极管属于高频整流二极管，反向恢复时间为几百纳秒（500nS），工作频率可以达到几十～几百千赫兹，FR107快速恢复二极管满足本设计对步进电机快速控制的要求，并且可有效降低因每相关断后步进电机绕组上产生的反向电压对电源的干扰，满足本设计的要求。
1.6 四相八拍步进电机相序分配
比例调节阀中电机驱动采用四相八拍的方式，相序分配如表1所示。表中“+”表示接电源（DC24V）正极，“-”表示接电源负极。按如下的导通顺序则可实现步进电机正转（电机为顺时针旋转，此时比例调节阀为开启过程）A→AB→B→BC→C→CD→D→AD。关闭比例调节阀则只需要步进电机反转即提供如下序列的导通相序AD→D→CD→C→CB→B→AB→A。本设计中的步进电机相序分布如表1所示。
1.7 比例调节阀开启时单片机输出口电平分配
根据图4水流量比例调节阀控制原理图引脚的分配，即P0.0、P0.1、P0.2、P0.3分别经驱动芯片ULN2003的11、12、13、14引脚控制四相八拍步进电机的8、7、5、4端子。由于ULN2003具有反相作用，结合表1四相八拍步进电机相序分配，单片机输出如下次序脉冲1000、1100、0100、0110、0010、0011、0001、1001，（其中“1000”表示单片机P0.3引脚输出高电平，而P0.2、P0.1、P0.0均为低电平）四相八拍步进电机正转，经减速齿轮减速，就可以实现水流量比例调节阀的开启。正转时P0.0~P0.3引脚电平和各步的情况如表2所示。
同理，要实现水流量比例调节阀的关闭，单片机只需要输出与表2相反的序列脉冲即可。为了增加比例调节阀的旋转扭矩，实际应用中单片机的I/O口设置为准双向口模式，输出端口电平频率设定为1kHz.
2系统软件设计
2.1 软件控制流程
控制系统的功能主要包括3个部分：初始化配置、检测霍尔信号、开启或关闭比例调节阀。比例调节阀控制的软件流程如图5所示。
图5 水流量比例调节阀控制流程图
依据此控制流程，控制器在安装初期可以实现对水流量比例调节阀的精准控制，但是在现场应用一个月后，出现个别控制器的驱动芯片烧毁的现象，经过分析排查，由于现场管道井中出现漏水，引起水流量比例调节阀阀芯生锈，导致内部步进电机堵转线圈发热引发短路，以致ULN2003芯片烧毁。据此提出以下优化策略。
2.2 优化后的软件控制流程
根据水流量比例调节阀的最大节拍数720拍，设计了新的控制策略，改进后的软件控制流程图如图6所示。
图6 改进后的比例调节阀控制流程图
改进后的控制流程加入了对步进电机节拍数的计录，通过计节拍数，如果超出最大节拍数仍未检测的霍尔信号，则步进电机停止转动，指示灯闪烁报警。通过现场一个供暖季的观测，优化后的控制策略很好的解决了因漏水堵塞水流量比例调节阀，导致驱动芯片烧毁的问题。
结束语
通过外围电路的设计，程序开发，实现了换热器一次测进水比例调节阀的控制。通过对软件控制策略上的进一步优化，解决了因开度调节阀芯卡住，烧毁驱动芯片的问题，有效的解决了工程中的维护成本，提高了系统的可靠性。
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论文作者:冶志强,王磊,代亮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/7/2
标签：调节阀论文; 比例论文; 步进电机论文; 水流论文; 霍尔论文; 单片机论文; 芯片论文; 《电力设备》2018年第8期论文;