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智能型閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制器的研制
引言
智能型電動執(zhí)行機構(gòu)是將微電子技術(shù)以及通信技術(shù)應(yīng)用到閥門的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了閥門遠(yuǎn)程集中控制、雙向通信、PID調(diào)節(jié)、在線自動標(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)代電動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展方向。
1、系統(tǒng)控制策略
由于電動執(zhí)行機構(gòu)在運行中，要求有快速開啟和制動響應(yīng)，閥門的定位精度要求高，并且在控制過程中，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。為解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題， 20世紀(jì)70年代初由Blaschke F首先提出了的異步電機的矢量控制理論，其原理圖如圖1所示。通過坐標(biāo)變換和磁場定向控制，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標(biāo)的磁場電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，從而實現(xiàn)兩者之間的解耦，得到類似于直流電機的轉(zhuǎn)矩模型，并可仿照直流電機進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩控制和磁通控制，使系統(tǒng)動態(tài)性能得到顯著改善，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。運用矢量控制已經(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)用到電動執(zhí)行機構(gòu)的控制中來，極大改善了執(zhí)行機構(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
系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。
圖2 智能電動執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)原理圖
2.1 中央處理單元
選用電機控制信號處理芯片TMS320F240。該DSP具有20m/s的定點處理速度，片內(nèi)自帶程序和數(shù)據(jù)存儲器、A/D轉(zhuǎn)換、PWM波形生成、通信接口等。作為電動執(zhí)行機構(gòu)的控制核心，DSP擔(dān)負(fù)著控制系統(tǒng)所有的信號處理：
（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(jù)接收的信號控制電機的起、停、正反轉(zhuǎn)、電機轉(zhuǎn)速、輸出力矩，并能進(jìn)行極限位置在線標(biāo)定。
（3）提供智能功率模塊（IPM）的PWM控制信號，處理IPM發(fā)出的故障和報警信號。
（4）處理電流、電壓和位置檢測單元發(fā)出的檢測信號。
（5）實時與人機界面進(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。
2.2 控制方式
2.2.1紅外遙控
紅外線設(shè)定裝置可以在不接觸執(zhí)行機構(gòu)的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，包括設(shè)定閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的閥門開度以及切換顯示狀態(tài)。
2.2.2手操器
采用人機界面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)，控制閥門的運行以及顯示執(zhí)行機構(gòu)工作狀態(tài)。
2.2.3標(biāo)準(zhǔn)直流信號
調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)的特點是能夠根據(jù)給定信號自動調(diào)節(jié)閥門開度。將4～20mA直流信號作為指示閥門開度的給定信號，將閥門的開度轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號，當(dāng)二者等值時執(zhí)行機構(gòu)停止動作，當(dāng)出現(xiàn)偏差時，電機按照給定速度、轉(zhuǎn)矩運行，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將功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一體，內(nèi)置過壓、欠壓、過流和過熱等故障監(jiān)測電路，并具有防靜電保護(hù)措施，使得IPM成為驅(qū)動電機的較理想的功率器件。
2.4 電流、速度以及位置檢測
選用電流傳感器LTS25-NP檢測IPM三相電流，采用光電碼盤作為轉(zhuǎn)速檢測器件。編碼盤與電機同軸連接，每轉(zhuǎn)能發(fā)出一定數(shù)量信號，將這些信號送入DSP的正交編碼電路，同時使能計數(shù)器，在采樣時間內(nèi)由計數(shù)器記下脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)，送給DSP，就可以算出這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。精密電位器檢測電動執(zhí)行機構(gòu)的輸出軸的位置信號，轉(zhuǎn)換成電信號后送入DSP進(jìn)行處理。DSP依據(jù)檢測的電流、轉(zhuǎn)速和位置信號，計算出需要的轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換，調(diào)整和控制IPM的輸出。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 主程序設(shè)計
控制系統(tǒng)的軟件采用中斷方式設(shè)計。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。
電動執(zhí)行機構(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
每個分支的循環(huán)中采樣位置反饋信號，與上次采樣值比較作差，差值轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)驅(qū)動指針旋轉(zhuǎn)，實時跟隨閥位，直到電機停止，指針便指示當(dāng)前位置，掉電后依然能夠保持，旋轉(zhuǎn)方向由差值的符號決定。當(dāng)檢測到故障信號時，系統(tǒng)停止運行。
3.2 子程序設(shè)計
子程序主要包括：矢量變換、行程在線標(biāo)定、A/D采樣、SCI通信、PWM輸出等。矢量變換以及PWM輸出在定時器的中斷服務(wù)子程序中實現(xiàn)，流程圖如圖4所示。
圖4 中斷子程序流程
為適應(yīng)不同的場合，閥門的行程要求可調(diào)，用戶只要切換的遙控控制方式下就可自由設(shè)置閥門的行程，流程圖見圖5。
當(dāng)系統(tǒng)處于手操器控制時，DSP與手操器遵循485協(xié)議進(jìn)行實時通信，讀取控制參數(shù)，同時顯示當(dāng)前狀態(tài)。
圖5 行程設(shè)定流程圖
4 結(jié)論
介紹的智能型閥門執(zhí)行機構(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。實驗結(jié)果表明：該執(zhí)行機構(gòu)操作簡單、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。
