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PROUCTS LIST
智能型閥門電動執(zhi)行機(ji)構控制(zhi)器的研制(zhi)
引言
是將(jiang)微電子技術(shu)以及通信(xin)(xin)技術(shu)應用到(dao)閥(fa)門的控(kong)制(zhi)系統中，實現(xian)了閥(fa)門遠程集(ji)中控(kong)制(zhi)、雙向(xiang)通信(xin)(xin)、PID調節(jie)、在線自動(dong)標(biao)定(ding)、自校正與完善的保護等多種控(kong)制(zhi)技術(shu)要求的功(gong)能，有效提高控(kong)制(zhi)水平，是現(xian)代(dai)電動(dong)執行機構的發展方向(xiang)。
1、系統控制策略
由于電(dian)(dian)動執(zhi)行(xing)機(ji)(ji)(ji)構(gou)(gou)在運行(xing)中，要(yao)求(qiu)有(you)快(kuai)(kuai)速(su)開啟和制(zhi)(zhi)(zhi)動響應(ying)，閥(fa)門的(de)(de)(de)(de)定位精度要(yao)求(qiu)高，并(bing)且在控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)過程中，需要(yao)保持良好(hao)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)，因(yin)此控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)策略的(de)(de)(de)(de)選(xuan)擇關系到(dao)(dao)系統(tong)的(de)(de)(de)(de)整體控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)性能。為解(jie)決(jue)交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)問題(ti)， 20世紀70年代初由Blaschke F首先提(ti)出了的(de)(de)(de)(de)異步(bu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)矢(shi)量(liang)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)理論(lun)，其原理圖如圖1所(suo)示(shi)。通過坐(zuo)(zuo)標(biao)變換和磁場定向控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)，把交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)動機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)定子電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)分(fen)解(jie)成磁場定向坐(zuo)(zuo)標(biao)的(de)(de)(de)(de)磁場電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)分(fen)量(liang)和與之(zhi)相(xiang)垂直(zhi)的(de)(de)(de)(de)坐(zuo)(zuo)標(biao)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)分(fen)量(liang)，從而(er)實現兩者之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)解(jie)耦，得到(dao)(dao)類似于直(zhi)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)模型，并(bing)可仿照直(zhi)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)進行(xing)快(kuai)(kuai)速(su)的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)(ju)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)和磁通控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)，使系統(tong)動態(tai)性能得到(dao)(dao)顯(xian)著改(gai)善，從而(er)使交(jiao)流(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)調速(su)技術取(qu)得了突破性的(de)(de)(de)(de)進展。運用矢(shi)量(liang)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)已經(jing)成為當今交(jiao)流(liu)(liu)(liu)變頻調速(su)系統(tong)的(de)(de)(de)(de)主流(liu)(liu)(liu)，將這一技術應(ying)用到(dao)(dao)電(dian)(dian)動執(zhi)行(xing)機(ji)(ji)(ji)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)中來，極大改(gai)善了執(zhi)行(xing)機(ji)(ji)(ji)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)性能。
圖1 矢量控制原理圖
2、系統硬(ying)件電路設計
系統的硬(ying)件(jian)原理圖(tu)(tu)如圖(tu)(tu)2所示。
圖2 智能電動執行(xing)機構(gou)系統原理圖
2.1 中(zhong)央(yang)處理(li)單元
選用電(dian)(dian)機控制信號(hao)處(chu)(chu)理(li)(li)芯片TMS320F240。該DSP具有20m/s的定點處(chu)(chu)理(li)(li)速度，片內自帶程序和數(shu)據存儲器、A/D轉換、PWM波形生成、通信接口等。作為電(dian)(dian)動執行機構的控制核心，DSP擔負著控制系統所有的信號(hao)處(chu)(chu)理(li)(li)：
（1）接收外部控制信號，包括紅外遙控輸入、DC4～20mA或者DC1～5V控制信號、人機界面的輸入。
（2）根據接收的信號控制電機的起、停、正反轉、電機轉速、輸出力矩，并能進行極限位置在線標定。
（3）提供智能功率模塊（IPM）的PWM控制信號，處理IPM發出的故障和報警信號。
（4）處理電流、電壓和位置檢測單元發出的檢測信號。
（5）實時與人機(ji)界面進行(xing)異(yi)步通信，顯示裝(zhuang)置的(de)各(ge)種工作狀態及故障診斷信號。
2.2 控制方式
2.2.1紅外遙控
紅外(wai)線(xian)設定(ding)(ding)裝置可以在不(bu)接觸執行(xing)(xing)機構(gou)的情況下(xia)，進行(xing)(xing)系統參數的設定(ding)(ding)，包(bao)括設定(ding)(ding)閥門電動執行(xing)(xing)機構(gou)的閥門開(kai)度以及切換(huan)顯示狀態(tai)。
2.2.2手操器
采(cai)用人機(ji)界面(mian)MD204L可編程(cheng)文(wen)本(ben)顯(xian)示(shi)器，按照485通訊協(xie)議，與(yu)DSP進行(xing)串(chuan)行(xing)通訊，可以(yi)設定系(xi)統(tong)參數，控(kong)制閥門的運行(xing)以(yi)及(ji)顯(xian)示(shi)執行(xing)機(ji)構工(gong)作狀態。
2.2.3標準(zhun)直流信(xin)號
調節型(xing)電(dian)(dian)動(dong)執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)的(de)特點是(shi)能(neng)夠根(gen)據給定(ding)信號(hao)自(zi)動(dong)調節閥(fa)(fa)門開度(du)。將4～20mA直流信號(hao)作為指示閥(fa)(fa)門開度(du)的(de)給定(ding)信號(hao)，將閥(fa)(fa)門的(de)開度(du)轉換為4～20mA電(dian)(dian)流信號(hao)，當(dang)二(er)者等(deng)值時執(zhi)行(xing)機(ji)構(gou)停止動(dong)作，當(dang)出現偏差時，電(dian)(dian)機(ji)按照給定(ding)速度(du)、轉矩運行(xing)，直到(dao)二(er)者重新平衡(heng)。
2.3 功率單元
智能(neng)功(gong)率模塊（IPM）選用PM75CSA120，該IPM將(jiang)功(gong)率開(kai)關(guan)器件和驅動(dong)電(dian)(dian)路(lu)集成(cheng)在一體(ti)，內(nei)置(zhi)過壓、欠壓、過流和過熱等(deng)故(gu)障監測電(dian)(dian)路(lu)，并具有(you)防(fang)靜(jing)電(dian)(dian)保護措施，使(shi)得IPM成(cheng)為(wei)驅動(dong)電(dian)(dian)機的較理想的功(gong)率器件。
2.4 電(dian)流(liu)、速度(du)以及(ji)位置檢測
選用電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)傳感器(qi)(qi)LTS25-NP檢(jian)測(ce)IPM三相電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，采用光電(dian)(dian)(dian)(dian)碼(ma)盤作為(wei)轉速檢(jian)測(ce)器(qi)(qi)件。編碼(ma)盤與電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)同(tong)軸連接，每轉能發出(chu)一定數量信(xin)號(hao)，將這些信(xin)號(hao)送入DSP的正(zheng)交編碼(ma)電(dian)(dian)(dian)(dian)路，同(tong)時使能計數器(qi)(qi)，在采樣(yang)時間(jian)內(nei)由計數器(qi)(qi)記下脈沖發生器(qi)(qi)發出(chu)的脈沖數，送給(gei)DSP，就(jiu)可(ke)以算出(chu)這段時間(jian)內(nei)的平均轉速。精密電(dian)(dian)(dian)(dian)位器(qi)(qi)檢(jian)測(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)動執行(xing)機(ji)構的輸(shu)出(chu)軸的位置信(xin)號(hao)，轉換成(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)后送入DSP進行(xing)處理。DSP依據檢(jian)測(ce)的電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)、轉速和位置信(xin)號(hao)，計算出(chu)需要(yao)的轉矩(ju)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)與勵磁(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，經過坐標變(bian)換，調(diao)整和控(kong)制IPM的輸(shu)出(chu)。
3 系統軟件設計
3.1 主程序設計
控(kong)制系統的軟件采用中(zhong)斷方(fang)式設計。在(zai)主程序中(zhong)進行系統的初始化(hua)、控(kong)制方(fang)式選擇(ze)、位置(zhi)檢(jian)測等(deng)工作，在(zai)中(zhong)斷服(fu)務程序中(zhong)完成(cheng)矢量(liang)控(kong)制算法與PWM的輸出。
電動執行(xing)機構的主程序流程圖如圖3所示，主程序主要分(fen)成(cheng)以下幾個部分(fen)：
3.1.1 系統初始(shi)化
系統上電后，首先進行(xing)初始化設置，包括(kuo)I/O初始化、A/D初始化、EVA以(yi)及(ji)SCI初始化等，而后從EEROM中讀(du)取上次運行(xing)設定的參數值(zhi)，包括(kuo)行(xing)程初值(zhi)、終(zhong)值(zhi)、速度、力矩以(yi)及(ji)控制方式(shi)選擇(ze)標志(zhi)位(wei)，并將這些參數存入(ru)數據(ju)寄存器中。
3.1.2 選擇(ze)控制方式
DSP根(gen)(gen)據控(kong)制(zhi)方式標(biao)志，進入相應的程序(xu)分(fen)支，可(ke)選本地遙控(kong)控(kong)制(zhi)、手操器(qi)控(kong)制(zhi)以及(ji)標(biao)準4～20 mA電流信號控(kong)制(zhi)。3種(zhong)控(kong)制(zhi)方式可(ke)根(gen)(gen)據需(xu)要由控(kong)制(zhi)者切換，切換方式簡單可(ke)靠。
圖3 主程序流程圖
3.1.3 指針跟隨(sui)以及故障(zhang)處理
每個分支的(de)循(xun)環中(zhong)采(cai)樣位置反饋信(xin)號(hao)(hao)，與(yu)上(shang)次采(cai)樣值(zhi)比(bi)較(jiao)作差(cha)，差(cha)值(zhi)轉(zhuan)化為脈沖(chong)數(shu)驅動指(zhi)針旋轉(zhuan)，實時(shi)跟隨閥位，直(zhi)到電機停(ting)(ting)止，指(zhi)針便指(zhi)示當(dang)前位置，掉電后(hou)依然能夠保(bao)持，旋轉(zhuan)方(fang)向由差(cha)值(zhi)的(de)符號(hao)(hao)決定(ding)。當(dang)檢(jian)測到故障(zhang)信(xin)號(hao)(hao)時(shi)，系統(tong)停(ting)(ting)止運(yun)行。
3.2 子程序設計
子程(cheng)序主(zhu)要包(bao)括：矢量變換、行程(cheng)在線標定(ding)、A/D采樣(yang)、SCI通信、PWM輸出(chu)等。矢量變換以(yi)及(ji)PWM輸出(chu)在定(ding)時器的中斷服務(wu)子程(cheng)序中實現，流(liu)程(cheng)圖如圖4所示。
圖4 中斷子程序(xu)流程
為適應不同的(de)(de)場合(he)，閥(fa)門的(de)(de)行程(cheng)要(yao)求可調，用戶(hu)只要(yao)切換的(de)(de)遙控控制(zhi)方式下(xia)就可自由(you)設(she)置閥(fa)門的(de)(de)行程(cheng)，流程(cheng)圖(tu)見圖(tu)5。
當系統處于手(shou)(shou)操(cao)器(qi)控(kong)制(zhi)時，DSP與手(shou)(shou)操(cao)器(qi)遵(zun)循485協議進行實時通信(xin)，讀(du)取控(kong)制(zhi)參數，同(tong)時顯示當前狀(zhuang)態。
圖5 行程(cheng)設定流程(cheng)圖
4 結論
介紹的(de)(de)智能(neng)(neng)型(xing)閥門執行(xing)(xing)(xing)機(ji)構(gou)功(gong)能(neng)(neng)完善、操(cao)作(zuo)靈活，由(you)于將矢量(liang)控制技術應用(yong)到執行(xing)(xing)(xing)機(ji)構(gou)的(de)(de)控制中，極大(da)改善了控制性能(neng)(neng)，在同行(xing)(xing)(xing)業中具有(you)水平。實(shi)驗(yan)結果表明：該執行(xing)(xing)(xing)機(ji)構(gou)操(cao)作(zuo)簡單、安全可靠(kao)，行(xing)(xing)(xing)程(cheng)控制、轉矩控制等重(zhong)要性能(neng)(neng)指標達到相關標準的(de)(de)規(gui)定，具有(you)廣(guang)闊的(de)(de)應用(yong)前景。
