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智能型閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的研制
引言
智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將微電子技術(shù)以及通信技術(shù)應(yīng)用到閥門(mén)的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)遠(yuǎn)程集中控制、雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定、自校正與完善的保護(hù)等多種控制技術(shù)要求的功能，有效提高控制水平，是現(xiàn)代電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向。
1、系統(tǒng)控制策略
由于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中，要求有快速開(kāi)啟和制動(dòng)響應(yīng)，閥門(mén)的定位精度要求高，并且在控制過(guò)程中，需要保持良好的轉(zhuǎn)矩控制，因此控制策略的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的整體控制性能。為解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題， 20世紀(jì)70年代初由Blaschke F首先提出了的異步電機(jī)的矢量控制理論，其原理圖如圖1所示。通過(guò)坐標(biāo)變換和磁場(chǎng)定向控制，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)定向坐標(biāo)的磁場(chǎng)電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的解耦，得到類(lèi)似于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型，并可仿照直流電機(jī)進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩控制和磁通控制，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能得到顯著改善，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。運(yùn)用矢量控制已經(jīng)成為當(dāng)今交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主流，將這一技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制中來(lái)，極大改善了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制性能。
圖1 矢量控制原理圖
2、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。
圖2 智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)原理圖
2.1 中央處理單元
選用電機(jī)控制信號(hào)處理芯片TMS320F240。該DSP具有20m/s的定點(diǎn)處理速度，片內(nèi)自帶程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換、PWM波形生成、通信接口等。作為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制核心，DSP擔(dān)負(fù)著控制系統(tǒng)所有的信號(hào)處理：
（1）接收外部控制信號(hào)，包括紅外遙控輸入、DC4～20mA或者DC1～5V控制信號(hào)、人機(jī)界面的輸入。
（2）根據(jù)接收的信號(hào)控制電機(jī)的起、停、正反轉(zhuǎn)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出力矩，并能進(jìn)行極限位置在線(xiàn)標(biāo)定。
（3）提供智能功率模塊（IPM）的PWM控制信號(hào)，處理IPM發(fā)出的故障和報(bào)警信號(hào)。
（4）處理電流、電壓和位置檢測(cè)單元發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)。
（5）實(shí)時(shí)與人機(jī)界面進(jìn)行異步通信，顯示裝置的各種工作狀態(tài)及故障診斷信號(hào)。
2.2 控制方式
2.2.1紅外遙控
紅外線(xiàn)設(shè)定裝置可以在不接觸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，包括設(shè)定閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門(mén)開(kāi)度以及切換顯示狀態(tài)。
2.2.2手操器
采用人機(jī)界面MD204L可編程文本顯示器，按照485通訊協(xié)議，與DSP進(jìn)行串行通訊，可以設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，控制閥門(mén)的運(yùn)行以及顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)。
2.2.3標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)
調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是能夠根據(jù)給定信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。將4～20mA直流信號(hào)作為指示閥門(mén)開(kāi)度的給定信號(hào)，將閥門(mén)的開(kāi)度轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)，當(dāng)二者等值時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作，當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，電機(jī)按照給定速度、轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，直到二者重新平衡。
2.3 功率單元
智能功率模塊（IPM）選用PM75CSA120，該IPM將功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一體，內(nèi)置過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和過(guò)熱等故障監(jiān)測(cè)電路，并具有防靜電保護(hù)措施，使得IPM成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的較理想的功率器件。
2.4 電流、速度以及位置檢測(cè)
選用電流傳感器LTS25-NP檢測(cè)IPM三相電流，采用光電碼盤(pán)作為轉(zhuǎn)速檢測(cè)器件。編碼盤(pán)與電機(jī)同軸連接，每轉(zhuǎn)能發(fā)出一定數(shù)量信號(hào)，將這些信號(hào)送入DSP的正交編碼電路，同時(shí)使能計(jì)數(shù)器，在采樣時(shí)間內(nèi)由計(jì)數(shù)器記下脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)，送給DSP，就可以算出這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。精密電位器檢測(cè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸的位置信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后送入DSP進(jìn)行處理。DSP依據(jù)檢測(cè)的電流、轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)，計(jì)算出需要的轉(zhuǎn)矩電流與勵(lì)磁電流，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，調(diào)整和控制IPM的輸出。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 主程序設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件采用中斷方式設(shè)計(jì)。在主程序中進(jìn)行系統(tǒng)的初始化、控制方式選擇、位置檢測(cè)等工作，在中斷服務(wù)程序中完成矢量控制算法與PWM的輸出。
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主程序流程圖如圖3所示，主程序主要分成以下幾個(gè)部分：
3.1.1 系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，包括I/O初始化、A/D初始化、EVA以及SCI初始化等，而后從EEROM中讀取上次運(yùn)行設(shè)定的參數(shù)值，包括行程初值、終值、速度、力矩以及控制方式選擇標(biāo)志位，并將這些參數(shù)存入數(shù)據(jù)寄存器中。
3.1.2 選擇控制方式
DSP根據(jù)控制方式標(biāo)志，進(jìn)入相應(yīng)的程序分支，可選本地遙控控制、手操器控制以及標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)控制。3種控制方式可根據(jù)需要由控制者切換，切換方式簡(jiǎn)單可靠。
圖3 主程序流程圖
3.1.3 指針跟隨以及故障處理
每個(gè)分支的循環(huán)中采樣位置反饋信號(hào)，與上次采樣值比較作差，差值轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)驅(qū)動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)跟隨閥位，直到電機(jī)停止，指針便指示當(dāng)前位置，掉電后依然能夠保持，旋轉(zhuǎn)方向由差值的符號(hào)決定。當(dāng)檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。
3.2 子程序設(shè)計(jì)
子程序主要包括：矢量變換、行程在線(xiàn)標(biāo)定、A/D采樣、SCI通信、PWM輸出等。矢量變換以及PWM輸出在定時(shí)器的中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)，流程圖如圖4所示。
圖4 中斷子程序流程
為適應(yīng)不同的場(chǎng)合，閥門(mén)的行程要求可調(diào)，用戶(hù)只要切換的遙控控制方式下就可自由設(shè)置閥門(mén)的行程，流程圖見(jiàn)圖5。
當(dāng)系統(tǒng)處于手操器控制時(shí)，DSP與手操器遵循485協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，讀取控制參數(shù)，同時(shí)顯示當(dāng)前狀態(tài)。
圖5 行程設(shè)定流程圖
4 結(jié)論
介紹的智能型閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能完善、操作靈活，由于將矢量控制技術(shù)應(yīng)用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制中，極大改善了控制性能，在同行業(yè)中具有水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單、安全可靠，行程控制、轉(zhuǎn)矩控制等重要性能指標(biāo)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。
