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摘 要：该文针对单相同步电机驱动阀传统控制电路造成的可控硅及附属电路烧毁现象，通过建立单相同步电机电压模型，分析了控制阀芯限位开关造成的可控硅及附属电路可能烧毁部件，在此基础上，开发了面向地热交换控制的基于SOC处理器的电动驱动阀控制器，其温度控制精度及使用寿命都达到了预期效果。
关键词：SOC处理器 电压平衡 可控硅 地板供热控制
中图分类号：TD632.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-00-02
电动驱动阀由于其低廉的成本及一定的可调节特性，在工业及民用建筑领域得到越来越广泛的应用。交流同步减速电机是一种电动控制阀驱动执行单元，它具有输出转矩大，无需减速单元，同时由于同步电机可以根据控制时间（与交流50 Hz的周期整数时间倍）实现对控制阀的位置控制，大大减少了控制阀执行部件，提高了可靠性。
然后，单相同步减速电机需要采用可控硅控制方法才能实现相对比较可靠的时间控制，同时，还需要进行机械限制来实现累计误差的清除，机械限制的瞬时切断对可控硅造成了很大冲击，导致可控硅控制的失效。为此，该文从交流同步减速电机控制的瞬态特性出发，建立同步减速电机的绕组电压模型，分析了限位开关导致的可控硅及附属电路造成的故障，并应用SOC处理器开发相应的驱动控制器，并应用于地热交换控制中，取得了比较理想的控制
效果。
1 位置保护的控制阀驱动电路模型
单相永磁交流同步减速电机其控制电路如图1所示，它是基于电容启动与运行的单相正反转系统。其中S1和S2为交流同步减速电机驱动的控制阀限位开关，P-CONTROL和N-CONTROL分别对应正向控制及反向控制信号，C1为相位电容。单相永磁同步电动机从原理上讲是凸极同步电动机，其绕组L1和L2电压平衡方程为：
当限位S1或者S2开关起作用时，其电流回路发生改变，Q3和Q4可控硅有一只仍然处于导通状态，不妨假设Q3处于导通状态。同步电动机的等效2个绕组的串联电路。
设L1绕组处于电流最大值为MAX，为零，当限位开关产生作用，此时的电流无法回到N回路中，只有通过绕组L2，导致绕组L2的电流产生突变。由公式（1-1a）和（1-1b）可以看出，绕组L2产生很大的反电动势。同时，电流一方面通过C1，另一方面通过R19和C4，再通过Q3或者R8等回路返回。这就会导致R19的烧毁；当R19功率加大时，会导致R8的烧毁，这与试验过程烧毁的现象是一致的。
另一方面，L2产生反电动势高压，会加载到Q4可控硅上，由于L电压与反电动势电压产生相位差，造成Q4承受的压力加大，导致Q4管子的损毁，在试验过程中，当Q3导通时，造成Q4管子的损毁，与电路分析的结果一致。
2 电动控制阀控制器的结构与实现
针对地热控制中采用热水热源与回水冷源进行热交换实现地热分水器温度控制，基于单相同步减速电机控制阀包括控制器与执行器两部分组成，如图2所示。其控制器结构有嵌入式处理器C8051F015、可控硅隔离驱动电路与滤波电路、分水器温度监测、远程控制设置及电源处理等。
嵌入式处理器C8051F015根据现场设定（或者远程RS-485设定），并以时间为目标，应用阀芯特性曲线和修正PID控制算法，实现对控制阀导通时间的控制，达到地热分水器温度的较为精确的控制，分水器温度采用DS18B20数字式温度传感器，其监测精度在±0.5 ℃，完全能满足分水器温度要求。
由前面对可控硅驱动电路模型的分析，由阀芯限位控制导致可控硅及附属电路的损毁现场，为此，对驱动电路进行了修改，如图3所示。其中L1、L2为同步电机绕组，C20为相位电容。相位电容两边增加了2只压敏电阻，以防止电路切断导致高压，在HOT输入端设有自恢复保险丝，同步电机限位信号输入到处理器，并由处理器实现对电机的位置控制，从而避免了回路切断导致的高压。
2 控制器软件实现
基于同步减速电机控制阀，其阀芯正向及反向最大行程可以用同步電机开启时间来描述，当阀芯处于正向最大位置时，分水器与热水联通，而与回水完全断开；当阀芯处于零位时，分水器与热水完全断开，而与回水全部接通。
整个行程转化为单相同步减速电机运行时间为15 s，SOC处理器控制输出的基本时间单位为20 ms，即50 hz周期，整个行程转化基本控制时间随对应数字控制量为750。由于阀芯位置与流量特性曲线是非线性的，而且特性曲线很难测量，为此，系统采用PID控制算法，其控制模型式2所示，根据控制要求及阀芯执行周期，系统采用控制周期为3 s。
根据以上控制算法要求及电路设计来设计控制器的软件，包括数字温度传感器的读取程序、PID控制算法、通信处理、阀芯上死点及下死点信息处理等部分，根据数字温度传感器对时序的要求，采用C51及汇编语言混合编程。其主体流程如图4所示。
由于阀芯最小执行时间为20 ms，阀芯正反转死区补偿成为必不可少，阀芯控制输出程序有两部分组成，其一是定时器0中断控制处理，另一部分为方向反转加入死区补偿处理，其程序流程如图5所示。当补偿寄存器不为零时，定时中断处理函数就先执行补偿直到补偿寄存器为零，再转入实际位置处理部分。
3 结语
该文通过单相同步电动机控制阀控制电路建模，分析与讨论常规可控硅控制电路在阀芯限位条件下的电路特性，及由此造成控制故障，在基础上开发了面向地热交换控制的可控硅控制的电动驱动阀控制器，通过实际运行结果表明，当目标设定为55 ℃，其分水器温度控制在（55±1.0） ℃，与相同类型继电器控制结果在3.5 ℃大为提高。改进的可控硅控制电路克服了转阀限位导致的可控硅控制失效，大大提高了温度调节器的使用寿命。
参考文献
[1] 荆建立.单相永磁低速同步电机调速研究[D].2007.
[2] 王晓敏，殷建军，唐晓茜，等.新型节能的地温控器[J].轻工机械，2009（10）.
[3] 陈宝林，刘建红，顾毅康，等.同步电机双功能系统单相交流励磁的研究[J].北京航空航天大学学报，2003，35（6）.
[4] 曹瑜，王旭东.一种改进的永磁同步电机矢量控制系统的研究[J].电力电子技术，2012，46（5）.
关键词：SOC处理器 电压平衡 可控硅 地板供热控制
中图分类号：TD632.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-00-02
电动驱动阀由于其低廉的成本及一定的可调节特性，在工业及民用建筑领域得到越来越广泛的应用。交流同步减速电机是一种电动控制阀驱动执行单元，它具有输出转矩大，无需减速单元，同时由于同步电机可以根据控制时间（与交流50 Hz的周期整数时间倍）实现对控制阀的位置控制，大大减少了控制阀执行部件，提高了可靠性。
然后，单相同步减速电机需要采用可控硅控制方法才能实现相对比较可靠的时间控制，同时，还需要进行机械限制来实现累计误差的清除，机械限制的瞬时切断对可控硅造成了很大冲击，导致可控硅控制的失效。为此，该文从交流同步减速电机控制的瞬态特性出发，建立同步减速电机的绕组电压模型，分析了限位开关导致的可控硅及附属电路造成的故障，并应用SOC处理器开发相应的驱动控制器，并应用于地热交换控制中，取得了比较理想的控制
效果。
1 位置保护的控制阀驱动电路模型
单相永磁交流同步减速电机其控制电路如图1所示，它是基于电容启动与运行的单相正反转系统。其中S1和S2为交流同步减速电机驱动的控制阀限位开关，P-CONTROL和N-CONTROL分别对应正向控制及反向控制信号，C1为相位电容。单相永磁同步电动机从原理上讲是凸极同步电动机，其绕组L1和L2电压平衡方程为：
当限位S1或者S2开关起作用时，其电流回路发生改变，Q3和Q4可控硅有一只仍然处于导通状态，不妨假设Q3处于导通状态。同步电动机的等效2个绕组的串联电路。
设L1绕组处于电流最大值为MAX，为零，当限位开关产生作用，此时的电流无法回到N回路中，只有通过绕组L2，导致绕组L2的电流产生突变。由公式（1-1a）和（1-1b）可以看出，绕组L2产生很大的反电动势。同时，电流一方面通过C1，另一方面通过R19和C4，再通过Q3或者R8等回路返回。这就会导致R19的烧毁；当R19功率加大时，会导致R8的烧毁，这与试验过程烧毁的现象是一致的。
另一方面，L2产生反电动势高压，会加载到Q4可控硅上，由于L电压与反电动势电压产生相位差，造成Q4承受的压力加大，导致Q4管子的损毁，在试验过程中，当Q3导通时，造成Q4管子的损毁，与电路分析的结果一致。
2 电动控制阀控制器的结构与实现
针对地热控制中采用热水热源与回水冷源进行热交换实现地热分水器温度控制，基于单相同步减速电机控制阀包括控制器与执行器两部分组成，如图2所示。其控制器结构有嵌入式处理器C8051F015、可控硅隔离驱动电路与滤波电路、分水器温度监测、远程控制设置及电源处理等。
嵌入式处理器C8051F015根据现场设定（或者远程RS-485设定），并以时间为目标，应用阀芯特性曲线和修正PID控制算法，实现对控制阀导通时间的控制，达到地热分水器温度的较为精确的控制，分水器温度采用DS18B20数字式温度传感器，其监测精度在±0.5 ℃，完全能满足分水器温度要求。
由前面对可控硅驱动电路模型的分析，由阀芯限位控制导致可控硅及附属电路的损毁现场，为此，对驱动电路进行了修改，如图3所示。其中L1、L2为同步电机绕组，C20为相位电容。相位电容两边增加了2只压敏电阻，以防止电路切断导致高压，在HOT输入端设有自恢复保险丝，同步电机限位信号输入到处理器，并由处理器实现对电机的位置控制，从而避免了回路切断导致的高压。
2 控制器软件实现
基于同步减速电机控制阀，其阀芯正向及反向最大行程可以用同步電机开启时间来描述，当阀芯处于正向最大位置时，分水器与热水联通，而与回水完全断开；当阀芯处于零位时，分水器与热水完全断开，而与回水全部接通。
整个行程转化为单相同步减速电机运行时间为15 s，SOC处理器控制输出的基本时间单位为20 ms，即50 hz周期，整个行程转化基本控制时间随对应数字控制量为750。由于阀芯位置与流量特性曲线是非线性的，而且特性曲线很难测量，为此，系统采用PID控制算法，其控制模型式2所示，根据控制要求及阀芯执行周期，系统采用控制周期为3 s。
根据以上控制算法要求及电路设计来设计控制器的软件，包括数字温度传感器的读取程序、PID控制算法、通信处理、阀芯上死点及下死点信息处理等部分，根据数字温度传感器对时序的要求，采用C51及汇编语言混合编程。其主体流程如图4所示。
由于阀芯最小执行时间为20 ms，阀芯正反转死区补偿成为必不可少，阀芯控制输出程序有两部分组成，其一是定时器0中断控制处理，另一部分为方向反转加入死区补偿处理，其程序流程如图5所示。当补偿寄存器不为零时，定时中断处理函数就先执行补偿直到补偿寄存器为零，再转入实际位置处理部分。
3 结语
该文通过单相同步电动机控制阀控制电路建模，分析与讨论常规可控硅控制电路在阀芯限位条件下的电路特性，及由此造成控制故障，在基础上开发了面向地热交换控制的可控硅控制的电动驱动阀控制器，通过实际运行结果表明，当目标设定为55 ℃，其分水器温度控制在（55±1.0） ℃，与相同类型继电器控制结果在3.5 ℃大为提高。改进的可控硅控制电路克服了转阀限位导致的可控硅控制失效，大大提高了温度调节器的使用寿命。
参考文献
[1] 荆建立.单相永磁低速同步电机调速研究[D].2007.
[2] 王晓敏，殷建军，唐晓茜，等.新型节能的地温控器[J].轻工机械，2009（10）.
[3] 陈宝林，刘建红，顾毅康，等.同步电机双功能系统单相交流励磁的研究[J].北京航空航天大学学报，2003，35（6）.
[4] 曹瑜，王旭东.一种改进的永磁同步电机矢量控制系统的研究[J].电力电子技术，2012，46（5）.