伺服卡

东方汽轮机有限公司DONGFANG TURBINE Co., Ltd.
伺服模件使用说明书
编号KM902-002000ASM
版本号 E
2008年4月
编号KM902-002000ASM
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序号章一节名称页数备注
1 0-1 前言 1
2 0-2 硬件简介 1
3 0-3 功能简介 2
4 0-4 使用说明9
5 0-5 故障指示 2
6 0-6 性能和参数 1
7 0-7 使用注意说明 1
0—1 前言
DEA伺服卡是为全电调控制系统DEH配套而专门设计的。

该卡采用了高性能RISC构架16位单片机Infineon XC164CS-F20F芯片和高性能的可编程逻辑阵列CPLD（ ALTERA EPM7128STC100-10）构成控制核心，同时采用了16位并行A/D和D/A芯片提高转换精度。

电源部分采用了先进的DC-DC隔离转换器，确保卡件的工作电源和供电电源的充分隔离，使卡件的电源回路工作有效可靠。

在实现带电插拔的技术上采用了SPI串行总线技术，在校验过程中将LVDT的全关值和全开值存入FRAM中，从而实现带电插拔。

伺服卡的工作原理是通过采集4-20毫安的反馈信号与控制系统发出的给定值构成比较环节，然后通过PI运算，最终输出调节电流控制调节阀门的运动，使阀门的开度到达给定期望到达的位置。

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0—2 硬件简介
伺服卡控制器的硬件主要包括伺服卡件和机箱组件：
2.1 伺服卡件
伺服卡采用的是六层印制板布线工艺，具有极高的EMC抗干扰能力。

板上
主要元器件均采用进口优质元件。

2.1.1 CPU采用先进的Infineon 16位RISC构架单片机XC164CS-F20F，运算处
理速度极快。

该单片机内置WATCH_DOG功能，自恢复能力强。

2.1.2 采用ALTERA公司的可编程逻辑阵列EPM7128STC100-10作为单片机的接口
部件。

该芯片可将硬逻辑门电路用软件实现，访问速度极快。

同时该芯片
有许多的I/O，可以方便的实现外部接口。

这样可以使伺服卡增加许多功
能而外围电路极为简单，卡件的集成度大幅度增加而可靠性也大为提高。

2.1.3 采用了16位的A/D、D/A芯片作为模拟量信号的采集和输出转换，转换精
度高。

其中一片A/D通过前置的通道选择器件采集各种模拟信号，两片D/A
中一片作为阀位输出信号，另外一片作为PI运算后输出电流用。

伺服卡
的所有模拟量信号通道均采用了隔离放大器与外部接口实现隔离。

2.1.4 采用SPI串行总线技术，在校验过程中将校验所得的LVDT的全关值和全
开值存入到FRAM中，从而使卡件在失电后不影响其使用。

2.1.5 采用DC-DC直流电源转换器，确保卡件的工作电源与供电电源实现隔离，
使卡件的电源回路和模拟信号通道在使用中更为安全可靠。

伺服卡的所有
开关量信号全部用光电隔离器件与外部信号进行了隔离，确保卡件的工作
尽量不受外部信号的干扰
2.1.6 采用了双路LVDT采集通道，在其中一路LVDT工作不正常时可以实现切换。

内置振荡电路，可以作为LVDT的激励信号用，激励信号的频率和幅值可
以通过卡件上的跳线来设置。

2.1.7 面板上设有多个指示灯以指示各种状态，并有颤动量调节孔和测试端。

2.1.8 伺服卡由只采用了一块六层板的主卡。

其中，大部分元器件采用了贴片元
件，集成度较高。

2.2 机箱组件
2.2.1 机箱采用19”的电磁屏蔽机箱及组件。

机箱后面的接线端子统一焊接到电
源母板上，接线方便。

2.2.2 卡件插入机箱时使用推拉式结构，拔插也十分方便。

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0—3 功能简介
3.1 工作原理
伺服卡是通过采集LVDT的位移反馈值，然后与控制系统发出的给定指令（4～20mA信号）构成比较环节，经过程序中的PI运算后输出调节电流
（-40mA～40mA）驱动伺服阀动作，从而控制阀门的行程到给定的开度。

在进行自身调节的同时，伺服卡还可以送出一个阀位开度信号（4～20mA
的电流信号或1～5V的电压信号）给控制系统，作为行程指示。

PI运算中
的比例因子和积分因子可以通过拨码开关来调节。

通过面板上的指示灯，可以实时了解卡件的工作状态。

3.2 操作功能简介
3.2.1 校验
该卡保留了校验功能，可以自动输出关门信号和开门信号使阀门运动，但
是不再将校验所得的值记录到存储器中。

3.2.2 偏置
该卡提供了偏置功能，可以在偏置输入的情况下输出电流或电压信号强行
关门。

3.2.3 手动
该卡提供了手动功能，手动功能与全开位和全关位的值无关。

在手动情况
下，可以对阀门进行手动增、减操作使阀门运动到阀门的全开位和全关位，以便于电流变送器校正。

3.3 双路LVDT切换
伺服卡双路LVDT的切换原则是当给定值和电流通道反馈值的偏差大于整个开度的10%时切换。

3.3.1 当只有一路LVDT接入时，不产生任何切换。

3.3.2 当伺服卡交流LVDT的双路次级线圈反馈回路断掉任何一路时，LVDT反馈
值的变化会大于整个开度的10%，这种情况下会马上切换。

3.3.3 当伺服卡交流LVDT的激励线圈断线时，这时LVDT的反馈值为0。

在LVDT
的整个行程中，必然存在这样一个点，即LVDT的两路次级线圈产生的反
馈信号相等的情况下，LVDT采集的反馈值也为0，我们就称这个点为零点。

当LVDT初级断线时，如果LVDT的行程位置偏离零点10%，则会马上切换；
如果LVDT的行程位置偏里零点小于全开度的10%，这时初级断线，LVDT
将检测不到变化，这时可以通过DEH 中给定值的修正超过10%后产生切换。

3.3.4 为了避免来回切换产生的振荡，当产生一次切换后，程序在20秒内不允
许再次切换，以便有足够的调节时间来使调节稳定。

3.4 伺服卡的PID 算法
比例因子：KP=SW2(1-4)*2 积分因子：KI=SW2(5-7)
位置偏差:POS_ERR=VSET-LVDT(VSET 为给定值，LVDT 为当前LVDT 开度值) 比例变换常数：SCALER=8 积分变换常数：I_SCALER=500
调节输出：SCALER
SCALER
I ERR POS KI ERR POS KP OUT PID _/)_*()_(*_∑+=
其中,积分限制输出限幅为:
∑+<<-SCALER I V ERR POS KI SCALER I V _*)5(_*_*)5(
调节输出限幅为:
mA OUT PID mA 40_40+<<-
上述公式表达了伺服卡的PID 算法。

在实际使用过程中，由于给定误差和LVDT 产生的偏移，使得伺服卡在全关位置和全开位置不能关死或开完。

为了解决这个问题，本卡采用了过关和过开的算法，其具体算法如下：
IF (VSET-0.5mA)<4mA THEN
VSET=VSET-0.5mA ELSE
VSET=VSET
IF (VSET+0.5mA)<20mA THEN
VSET=VSET+0.5mA ELSE
VSET=VSET END
从上流程可以看出，在给定4毫安或20毫安时会出现过关保证门关死或开完。

工程使用人员在编制DEH 控制程序时应该注意误差带为0.5毫安。

0—4使用说明
在使用伺服卡之前，必须先根据使用的情况进行跳线设置。

同时要完成机箱的正确接线后，方可上电。

4.1 跳线器的设置
伺服的跳线详细说明如下：
4.1.1 J20、J24为LVDT1反馈类型选择（交、直流选择）。

其中J20（1，2）短
接，J24断开为选择LVDT1交流反馈方式；如果J20〔2，3〕短接，J24
短接为选择LVDT1直流反馈方式。

4.1.2 J21、J27为LVDT2反馈类型选择（交、直流选择）。

其中J20（1，2）短
接，J27断开为选择LVDT2交流反馈方式；如果J20〔2，3〕短接，J27
短接为选择LVDT2直流反馈方式。

4.1.3 J22、J23为伺服驱动1的输出方式选择器。

其中J22短接、J23断开为
伺服驱动1选择为电流工作方式；如果J22、J23同时短接则为伺服驱动
1选择为电压工作方式。

在电压工作方式时，接线方式要改变，详细情况
参见后面的接线说明。

4.1.4 J25、J26为伺服驱动2的输出方式选择器。

其中J25短接、J26断开为
伺服驱动2选择为电流工作方式；如果J25、J26同时短接则为伺服驱动
2选择为电压工作方式。

在电压工作方式时，接线方式要改变，详细情况
参见后面的接线说明。

4.1.5 J31（1，2）短接为不加颤动量，J31〔2，3〕短接为伺服驱动信号叠加
颤动量。

颤动频率可以通过(J28,J30)的跳线来改变，出厂设定为
(J28,J30)短接，频率为311HZ左右，如果（J28,J30）断开，则颤动频
率为208HZ左右。

4.1.6 （J1,J2,J7）组合来选择LVDT1激励频率，本卡将(J1,J2,J7)短接，频
率约为 1.7KHZ左右。

出厂设定为J7短接，频率为 1.1KHZ左右；
（J8,J9,J14）组合来选择LVDT2激励频率，本卡将(J8,J9,J14)短接，
频率约为1.7KHZ左右。

出厂设定为J14短接，频率为1.1KHZ左右；
4.1.7 （J3,J4,J5,J6）组合来选择LVDT1激励幅值。

全短接，幅值最大，全断
开，幅值最小。

单独短接幅值递减的顺序为J3>J4>J5>J6。

出厂设定为
（J3,J4,J5）短接，激励幅值为3.2V左右；（J10,J11,J12,J13）组合来
选择LVDT2激励幅值。

全短接，幅值最大，全断开，幅值最小。

单独短
接幅值递减的顺序为J10>J11>J12>J13。

出厂设定为（J10,J11,J12）短
接，激励幅值为3.2V左右；
4.1.8 J15的（1，2）短接为使用本卡的LVDT1激励信号；J16的（1，2）短接
为使用本卡的LVDT2激励信号。

4.1.9 J18（1，2）短接为输入给定电流信号；J18（2，3）短接为输入给定电
压信号。

J18（3，4）短接为输入给定电流差分信号；J18全部不短接为
输入给定电压差分信号。

4.1.10 J19（2，3）短接阀位输出为1-5V的电压信号，J19（1，2）短接阀位输
出为4-20mA的电流信号。

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4.2 接口说明
4.2.1 单块伺服卡上的插头端子接线名称如下图所示（插头端子号定以如下：
面对伺服卡，元器件面朝上，插头在右，靠板右边边缘的一排插针为A,
靠左边的一排插针为C,从上面开始为第一脚。

）
图0-4-1：伺服卡插头定义
4.2.2 伺服机箱
伺服机箱是由电磁屏蔽机箱和背板端子以及卡轨组件组成。

背板是一块印刷电路板，所有伺服卡件的插座均焊接在背板上。

外部接线均通过背板上的接线端子接入。

插槽，③为没有插卡用使用空面板的空插槽；下一幅图为机箱的俯视图。

4.2.2.2 伺服卡的背板外观图
所有的外部接线均从伺服卡机箱的背板上接入。

其中TB23是为通讯预留
的设计，目前无用；TB25为直流电源24V的接入端子；TB1-TB20是为伺
服卡件上所有接口信号的接线端子。

其中一块卡占用两组接线端子，如插
在左边第一卡轨上的伺服卡的接口信号就是通过(TB1，TB2)接入和输出，依次类推。

整个背板的接线端子分布见下图。

0－4－3
的意义，端子编号从上到下为（1-16）。

0－4－4
图0-4-4：接线端子定义4.2.2.4 伺服机箱背板上TB25电源端子定义。

图0-4-5：电源端子定义
上图中虚线部分为卡件内部接线。

从上图中可以看出，（1，2）、（3，4）、（5，6）、（7，8）四对端子在内部已经短接，不能更改。

（1，2，3，4）构成一组输入电源，（5，6，7，8）构成另外一组输入电源。

两组电源在通过内部卡件上的跳线器进行短接。

4.2.3 具体接线的一些使用说明
由于在每个工程中使用的给定类型和阀门类型等可能不一样，现对某些接线情况给与具体说明。

下列说明均以(TB1,TB2)为例。

4.2.3.1 伺服输出接线
本伺服卡采用的伺服驱动可以采用电流或电压，其具体接线情况如下：
图0-4-6:电流型接线 图0-4-7:DDV 电压型接线 由上图可以看出,电流型和电压型接线完全不同。

除了接线上的差异外，跳线器也有差异。

电流型为（J22短接，J23断开）、（J25短接，J26断开），而电压型需要（J22和J23均短接）、（J25和J26均短接）
注意事项：在使用非40MA的阀门时，须对程序进行修改。

4.2.3.2 阀位输出接线
本伺服卡的阀位输出也可以采用电流型（4-20mA）或电压型（1-5V）,其接线端子不变，通过跳线器J19设置。

J19的（2,3）短接阀位输出为电
压型，J19
图0-4-8：阀位输出接线图
4.2.3.3 伺服卡的电流反馈信号接线
本卡从设计上考虑了使用直流LVDT和交流LVDT的两种可能。

其接线方式
如下图所示：
TB1
4.2.3.4 给定信号的接入
给定信号的接入没有电流和电压的区分，都是从同一端子进入。

至于要区
分是电流给定还是电压给定，需要通过J2的跳接方式来改变。

J18的（1，2）短接为输入给定电流信号；J18的（2，3）短接为输入给定电压信号。

J18的（3，4）短接为输入给定电流差分信号；J18全部不短接为输入给
开出信号接线方式如下图：
见下表：
从上表中可以看出，SW2的1-4位为设置比例因子用;SW2的5-7位为设置积分因子用；SW2的第8位在设置调节参数时没有使用。

SW2开关向
下拨到0FF位时为1，向上拨到ON位为0。

KP由4位一共构成16档比例
因子拨码，码值越大，则比例系数越大；KI由3位一共构成8档积分因
子拨码，码值越大，则积分系数就越小，积分就越快。

4.3.2 校验功能
在开入信号“校验允许输入”有效后，面板上CHK灯点亮。

开入信号“校
验开始输入”有效后，CHK灯慢闪，伺服卡输出正向电流（或负电压）驱
动伺服阀，使阀门向关门方向运动；到达全关位后，等待电流偏流，(D4,D5)
灯点亮，延时一分钟左右，CHK灯快闪，伺服卡输出负向电流（或正电压）驱动伺服阀，使阀门向开门方向运动，到达全开位后，等待电流偏流，
(D4,D5)灯点亮，延时1分钟左右，伺服卡将纪录下校验所得的全关值和
全开值，并将其存储到串行存储芯片FRAM中，CHK灯常亮，校验结束。

4.3.3 偏置功能
在任何情况下，在开入信号“停机偏置输入”有效后，伺服卡将输出正向
电流（或负向电压）强行关门。

输出电流约为50毫安左右。

4.3.4 手动功能
在开入信号“紧急手动输入”有效时，面板上的MAN灯将点亮。

这时如果
开入信号“阀门增”输入有效时，面板上的UP灯点亮，伺服卡的输出电
流将负向增加（或输出电压增大）进行开门运动；如果开入信号“阀门减”
输入有效时，面板上的DOWN灯点亮，伺服卡的输出电流将正向增加（输
出电压将减小）进行关门运动。

4.3.5 DIT电位器孔：
可以用螺丝刀从这个孔中调节颤动量幅值电位器。

4.3.6 DIV测试孔：
可以用来测试颤动量幅值。

4.4 现场使用说明
由于在现场使用过程中情况比较复杂，现就伺服卡在现场的使用作一个
简要说明。

4.4.1 使用前的检查工作。

在使用卡件前，必须先根据使用的阀门类型、给定类型、阀位反馈类型预
先跳好相应的跳线设置，并仔细检查，确保无误。

4.4.2 接线
按照接线说明接线，接完线后仔细检查，确保无误。

4.4.3 LVDT的安装
在现场安装LVDT时，一般采用先找零点，然后量行程，然后以零点为中
点对称找出全开位或全关位安装。

找零点的方法可以是测量到两路次级电
压相等时纪录下LVDT的位置作为零点，也可以采用将LVDT杆抽出，纪录
下阀位开度，然后拖动LVDT杆到等于纪录下的阀位开度的位置时纪录下
LVDT的位置作为零点。

本卡对零点的要求不用十分准确。

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伺服模件使用说明书KM902－002000ASM 4.4.4 LVDT次级接线次序的调整
先确定阀门在全关位，LVDT已经装配、接线完毕。

以TB1为例，在TB1
上测量LVDT1次1(TB1(8,9)端子间电压)和LVDT1次2（TB1(10,11)端子
间电压），如果测得的交流反馈电压LVDT1次1比次2低，则接线正确；
如果测得的交流反馈电压LVDT1次1比次2高，则次1和次2交换。

冗余
的LVDT2同LVDT1一样，测量点为LVDT2次1（TB1(12,13)端子间电压）
和LVDT2次2（TB1(14,15)端子间电压）。

如果不使用冗余LVDT，请将LVDT1
的与LVDT2在TB1端子上并接（次1并次1，次2并次2）。

4.4.5 伺服输出线的判断
使“偏置输入”信号有效，如果阀门的运动方向为全关位，则伺服输出接
线正确；如果阀门的运动方向为全开位，则伺服输出接线错误。

在电流工
作方式的情况下，如果只是使用一路伺服输出时，请将另外一路短接或接
上小负载。

4.4.6 校验过程
在进行完上述步骤后，进行校验过程。

如果校验完毕后，（D7,D0,D1）指
示灯亮，这时应该检查是否使用了长LVDT但是只用了很短行程，或是使
用了短行程LVDT,在这种情况下可以适当加大激励。

但是最好选用与行程
匹配的LVDT。

0－4－9。