[導讀] 閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)字化開發(fā)設(shè)計，為電動執(zhí)行機構(gòu)的研究開發(fā)提供了新的思路。由于所開發(fā)的閥門電動執(zhí)行機構(gòu)具有軟件升級方便、網(wǎng)絡(luò)通信能力強、控制策略先進、可靠性高等優(yōu)點，可以為工業(yè)生產(chǎn)提供極大的便利，具有廣闊的應(yīng)用前景。
0 引言
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶金和石油等領(lǐng)域。由于現(xiàn)有的國產(chǎn)閥門電動執(zhí)行機構(gòu)存在著控制方式落后，可靠性不高，缺乏完善的保護和故障報警措施以及必要的通信手段等問題，使得現(xiàn)有的閥門電動執(zhí)行機構(gòu)不便于調(diào)試和維護，也不能根據(jù)生產(chǎn)的實際需要進行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整，不能組成網(wǎng)絡(luò)進行遠程控制。隨 著電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的開發(fā)應(yīng)用，各種高性能的電子器件和微處理器為數(shù)字化閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的開發(fā)研究奠定了基礎(chǔ)。
所開發(fā)的數(shù)字化閥門電動執(zhí)行機構(gòu)具有以下特點：
①控制器采用單片DSP芯片(TMS320F240)作為控制系統(tǒng)的核心，處理系統(tǒng)內(nèi)所有的控制信號，包括對系統(tǒng)設(shè)定、采樣、顯示、報警、故障等信號的處理。同時對智能功率模塊(IPM)提供控制信號(PWM控制波)，控制IPM的導通與關(guān)斷，以實現(xiàn)對感應(yīng)電機的控制。
②主電路采用智能功率模塊(IPM)。IPM不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過電壓、欠電壓、過電流和過熱等故障監(jiān)測電路，并可將 監(jiān)測信號送往DSP進行處理，是一種高性能的功率開關(guān)器件。
③遠程紅外設(shè)定執(zhí)行機構(gòu)運行參數(shù)。為適應(yīng)惡劣工況環(huán)境，采用了電動執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)的紅外設(shè)定。避免直接接觸執(zhí)行機構(gòu)，方便了系統(tǒng)的設(shè)定。
④遠程通信。為與上位機通信，預(yù)留了通信端口，可以組成控制群組，方便接人現(xiàn)場總線，形成控制網(wǎng)絡(luò)。
⑤狀態(tài)顯示。采用LCD顯示電動執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)，并在掉電的情況下正常地顯示執(zhí)行機構(gòu)掉電前的工作狀態(tài)。
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。在現(xiàn)有的交流感應(yīng)電動機的控制算法中，主要包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種控制算法。矢量控制技術(shù)以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量旋轉(zhuǎn)變換的方 法，實現(xiàn)了對交流電動機的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。然而在實際中由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)(尤其是轉(zhuǎn)子電阻)的影響較大，以及所用的矢量旋轉(zhuǎn)變換的復雜性，使得實際的控制效果難以達到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是近10年來繼矢量控制技術(shù)發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)，它在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜、特性易受電動機參數(shù)變化的影響、實際性能難以達到理論分析結(jié)果等一些重大問 題。直接轉(zhuǎn)矩控制的算法和實現(xiàn)的途徑，已有許多的文獻進行了詳盡的闡述，在此僅給出直接轉(zhuǎn)矩控制的主要特點：
①直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型、控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。
②直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，可以大大減少矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化的影響。
③直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學模型和控制其各物理量，使得問題變得簡單明了。
④直接轉(zhuǎn)矩控制是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)(Band-Band 控制)產(chǎn)生PWM控制信號，直接對刪的開關(guān)狀態(tài)進行最佳的控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。
⑤直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，限制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，是一種高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。
2 閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)字化開發(fā)分為硬件和軟件設(shè)計兩部分，以下分別論述。
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。
控制系統(tǒng)各部分的功能如下：
①紅外發(fā)射與接收：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、扭矩、開、關(guān)以及切換顯示狀態(tài)。
②數(shù)字信號處理器(DSP)：選用TI公司電機控制專用信號處理芯片9MS320F240。該DSP具有20MPS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，通信接口等強大的處理能力。作為電動執(zhí)行機構(gòu)的控制核心，DSP擔負著控制系統(tǒng)所有的信號處理：包括接收設(shè)定信號(轉(zhuǎn) 矩、開度、開啟和關(guān)閉設(shè)定);提供給智能功率模塊(刪)的PWM控制波，處理刪發(fā)出的故障和報警信號;處理電流、電壓和位置檢測單元發(fā)出的檢測信號;提供 顯示電動執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)的信號。
③智能功率模塊(IPM)：選用三菱電機的PM75CSA120，該刪將功率開關(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， 并具有防靜電保護措施，使得刪成為驅(qū)動電機的較理想的功率器件。
④電壓、電流及位置檢測：作為控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件，為保障系統(tǒng)的控制性能，選用LEM公司的電壓傳感器LV25—P、電流傳感器LT525-NP和 Honeywell公司的齒輪傳感器GTl01。電流傳感器檢測刪輸出的三相電流;電壓傳感器檢測刪輸出的三相電壓，并將檢測信號送往DSP進行處理;齒 輪傳感器檢測電動機輸出的電動執(zhí)行機構(gòu)的位置信號，轉(zhuǎn)換成電信號后，送往DSP進行處理。DSP依此電壓、電流和位置信號，計算出相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)矩和定子 磁通，生成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制的開關(guān)模式，調(diào)整和控制pM的輸出。
⑤光電隔離：作為弱電和強電之間的隔離，光電耦合起著防止強電對弱電部分的電磁干擾，并具有驅(qū)動的功能。
⑥全橋整流：對三相交流電進行三相全波整流，輸出直流提供給刪。
⑦電動機：具有低慣量，高轉(zhuǎn)矩的三相交流感應(yīng)電動機。
⑧狀態(tài)顯示：顯示電動執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)。包括閥門的開度、開關(guān)狀態(tài)、設(shè)定力矩的大小以及系統(tǒng)的報警信號等。并且在設(shè)定參數(shù)狀態(tài)下，顯示設(shè)定的過程，提供直觀清晰的顯示。同時在備用電源的支持下，顯示系統(tǒng)斷電前的工作狀態(tài)。
2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的軟件設(shè)計，是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。因為控制系統(tǒng)的各種控制算法、電機的PWM波形的生成;電機轉(zhuǎn)矩的控制、閥門開度的控制、電壓、電流 和位置控制信號的處理;刪保護及故障信號的處理等，均是通過軟件的方式實現(xiàn)的。TI公司的9NS320F240數(shù)字信號處理器具有優(yōu)異的運算處理能力，可 以通過軟件的方式實現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種控制算法，完成對外圍硬件電路的控制。
控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用中斷方式。在主程序中進行系統(tǒng)的初始化工作，完成對內(nèi)部和外圍設(shè)備的初始化，而在中斷服務(wù)程序中進行系統(tǒng)的控制，完成直接轉(zhuǎn)矩控制算法。
2.2.1 主程序的設(shè)計
主程序的流程圖如圖2所示。在主程序中，DSP進行系統(tǒng)的初始化工作，內(nèi)容包括：
①系統(tǒng)初始化：DSP初始化工作是進行系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，是DSP軟件設(shè)計的重要步驟。系統(tǒng)初始化工作包括：DSP的事件管理器的初始化;計時器、比較器、 PWM波形生成、死區(qū)時間控制等的初始化;VO輸入輸出端口的初始化，使得DSP與外圍設(shè)備可以進行通信;DSP內(nèi)部寄存器、計數(shù)器的初始化。
②軟件變量設(shè)置：對程序中應(yīng)用的各種變量賦以初值、分配存儲地址，同時對每個標志位也重置初始狀態(tài)。
③后臺任務(wù)：包括在中斷完成后，重置標志位、更新狀態(tài)顯示、重置定時器，為下次中斷做準備。
④重置看門狗：這是軟件系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，防止外部干擾對程序的擾動而使程序走飛。
2.2.2 中斷服務(wù)程序
圖3所示為中斷服務(wù)程序的流程圖，它在主程序定時時間到后，進行直接轉(zhuǎn)矩控制算法。當計時器時間到時，啟動A/D轉(zhuǎn)換，檢測電動機定子側(cè)三相電壓、電流， 檢測電動機的轉(zhuǎn)速，進行三相/二相坐標變換，在。-p坐標系下進行定子磁通和轉(zhuǎn)矩的計算，根據(jù)給定的轉(zhuǎn)矩信號和磁鏈信號，生成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩開關(guān)模式，進行轉(zhuǎn)矩控制。
2.2.3 軟件設(shè)計注意事項
①電動機的軟啟動
為防止啟動電動機時出現(xiàn)的啟動電流過大的問題，必須在程序設(shè)計時，針對這一問題進行考慮。在輸出IPM開關(guān)模式信號時，要先輸出一組使電動機緩速啟動的開 關(guān)信號，使電機的電流不至于過大而引起IPM保護的發(fā)生，以及產(chǎn)生過大轉(zhuǎn)矩。
②電動機的帶電制動
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)在沒有動作運行期間，必須有電制動，這樣才可以保證閥門始終在期望的閥位。為此，在控制系統(tǒng)沒有新的給定信號發(fā)生時，軟件應(yīng)當輸出一組開關(guān)模式信號給IPM，使得IPM輸出一組兩相直流電流供給交流感應(yīng)電機，使電動機的定子磁場保持靜止。從而保證了電機轉(zhuǎn)子沒有動作，閥位也因此得到了固定。
3 結(jié)束語
閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)字化開發(fā)設(shè)計，為電動執(zhí)行機構(gòu)的研究開發(fā)提供了新的思路。由于所開發(fā)的閥門電動執(zhí)行機構(gòu)具有軟件升級方便、網(wǎng)絡(luò)通信能力強、控制策略先進、可靠性高等優(yōu)點，可以為工業(yè)生產(chǎn)提供極大的便利，具有廣闊的應(yīng)用前景。