（精密仪器及机械专业论文）基于DSP的REL变频电动执行机构的研制——变频与遥控(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

南京理工夫学硕士学位论文 摹于d s p 的r e l 变额电动执行机构的研制 摘要 电动执行机构是驱动和控制阀门主要装置，在实现管网自动化控制中发挥 重要作用。长期以来，我国采用的执行机构大都是进口产品，在工程应用中受到 许多限制，尤其是价格较高制约了管网自动化及远程控制的实现，开展具有我国 自主产权的电动执行机构的研制具有十分重要的意义。 在分析国外流行的电动执行机构的基础上，结合我国阀门控制现状，研制了 基于d s p 变频调速电动执行机构的原理样机。该执行机构包括主控c p u 、变频 调速，红外遥控，远程信号检测、开度力矩捡测和远程通讯等功能单元，实现了 标准工业信号和系统就地开关信号控制阀门的过程。 主控c p u 充分利用1 1 公司专用电机控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的片内丰富资 源，实现了系统模块化的设计要求，完成了整个系统资源的分配： 变频调速模块采用s p w m 的控制方式，实现了电机柔性启动和平稳运行， 避免系统对阀门的冲击； 红外遥控模块通过设计红外发送和接收电路，实现系统软件参数的设置功 能： 远程通讯接口采用c a n 总线技术，实现远程监控功能。 经过总体联调和负载试验，系统达到预期的功能要求，具有一定的工程使用 价值。 关键词：电动执行机构阀门d s p变频调速红外遥控c a n 总线 南京理工大学硕十学位论文基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n to fd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gv a l v e ， w h i c hp l a y si m p o r t a n tp a r ti nt h ef i e l do fr e a l i z i n g # p i n gn e ta u t o m a t i z a t i o n a t p r e s e n t , t h ea c t i l a t o ra d o p t e db yo u rn a t i o ni sa l m o s ti m p o r tp r o d u c t , w h i c hi sl i m i t e d i nt h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g e s p e c i a l l yt h eh i g hp d c er e s t r i c t sr e a l i z i n gp i p i n g n e ta u t o m a t i z a t i o na n dr e m o t ec o n t r 0 1 s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n to fd e v e l o p i n gt h e e l e c t r i ca c t u a t o ro f p o s s e s s i n gh o m e l a n di n d e p e n d e n tp r o p e r t yr i g h t u p o nt h ea n a l y s i s o fo v e r s e a 5p o p u l a rp r o d u c t , c o m b i n i n gt h ed o m e s t i c c o n t r o l l i n ga c t u a l i t y , t h ep r o t o t y p ea e r o p l a n eo nd s pe l e c t r i ca d u 砒o fi sd e v e l o p e d t h es y s t e mt h a tr e a l i z e sc o n t r o l l i n gv a l v e sw i t hs t a n d a r di n d u s t r ys i g i l a la n ds y s t e m l u c a lo n o f fs i g n a li sc o m p o s e do ft h ef o l l o w i n gf u n c t i o nc e l l s ：m a i nc o n t r o lc p u ， f r e q u e n c yc o n v e r s i o n , i n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l ，o p e n i n ga n dt o r q u ed e t e c t i n g , r e m o t e s i g n a lm e a s b r ea n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o ne t c t h em c ut h a tm a k e sf u l l 啪o fa b u n d a n tf e s o u r c e sf r o mt is p e c i a lm o t o r c o n t r o lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7r e a l i z e st h ed e s i g n i n gp r i n c i p i ao fm o d u l a f i z a t i o n a n da c h i e v e sd i s t r i b u t i o no f t o t a ls y s t e mr e s o u r c e s f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o d u l ei m p l e m e n t sm o t o rs t a r t i n ga n dw o r k i n gc a l m l y t o p r e v e n ts y s t e mf r o mb u m p i n gv a l v e st h r o u g hs p w m c o n t r o lm o d e i n f r a r e dr e m o t ec o n t r o ld e v i c ea c t u a l i z e st h es y s t e ms o f t w a r ep a r a m e t e r ss e t t i j l g t h r o u g ht h ed e s i g no f i n f r a r e ds e n d i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i t r e m o t ec o m m u n i c a t i o nr e a l i z e st h el o n g - r a n gs y s t e m sm o n i t o ra n dc o n t r o l f u n c t i o nb yc a nb u s t h es y s t e ma c h i e v e sa n t i c i p a t e df u n c t i o nr e q u e s tt h r o u g hs y s t e md e b u ga n dl o a d e x p e r i m e n t , w h i c hh a ss o m ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d ：e l e c t r i ca c t u a t o r , v a l v e ，d s p , f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，i n f r a r e d r e m o t ec o n t r o l ，c a nb u s n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：弘么抄6 年占月扣日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：捣叁鼬6 年6 月务日 南京理t 大学硕e 学位论文摹于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 l 绪论 1 1 概述 当今世界工业高速发展，与工业发展密切联系的水、气( 汽) 、油等流体领域 已成为工业发展重点。流体领域在工业应用中离不开管网系统，而阀门是管网系 统的主要组成部分。执行机构是控制和驱动阀门的重要装置1 4 5 1 1 4 6 1 1 4 7 1 。 目前，执行机构按照驱动装置类型可分为电动执行机构、气动执行机构和电 液执行机构三种。其中广泛使用的是电动和气动执行机构，但是考虑到气动执行 机构需要气源、空气净化设备等一系列复杂装置，对现场的要求比较高，因此气 动执行机构有很大的使用局限性。电动执行机构相对于气动执行机构具有以下优 点【4 2 1 ： ( 1 ) 无需特殊的气源和空气净化等装置。电源消失时，能保持原来位置； ( 2 ) 可以远距离传输信号，电缆的安装比气管方便，且便于检查； ( 3 ) 可以很方便地与计算机连接，适应新技术的发展； ( 4 ) 体积较小，使用方便。 因此在目前的阀门控制领域中，电动执行机构应用广泛。电动执行机构足以 电源为动力，通过电机带动阀门相应动作。因此电动执行机构在控制阀门运行过 程中，电机的运行状态直接决定了阀门的控制状态。为了实现对阀门的精确稳定 控制，电机控制技术非常重要。 电机控制技术可以分为以下三种方式：直接启动控制、降压启动控制和变频 调速启动控制。 所谓直接启动控制方式是指在额定电压下直接接通三相交流电压启动电机， 主要通过继电器实现接通和换向。由于这种控制方式在启动瞬间主磁通中。约减 少到额定值的一半，而功率因数e o s q ，又很低，因此造成了启动电流变大而启动 力矩变小的结果。 降压启动控制方式是指在定子中串接电抗器启动，启动时电抗器接入定子电 路，启动后切除电抗器，进入正常模式运行。此种方法降低了启动电流，但启动 转矩也明显下降。 以上两种控制方式都会不同程度的影响电机的启动力矩，增大电机的启动电 流，加之电机又不能进行调速，因此采用上述两种控制方式的电动执行机构控制 阀门精度很低，容易造成对阀门的冲击，而且打开较紧阀门时系统可能无法正常 启动，难以满足现代控制领域的需求。 变频启动控制方式是指将频率、电压都固定的交流电压变换成频率、电压部 连续可调的交流电源，此种控制方式能够实现系统的柔性启动，避免了对阀门的 南京理工大学硕t 学位论文基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 冲击。同时通过变频实现调速功能，实现了对阀门的精确控制。采用此种控制方 式的执行机构称做智能电动执行机构，在目前工业控制中得到广泛应用。 智能电动执行机构以电能为动力，接受标准工业控制信号，通过处理器将这 个信号变成相对应的机械位移( 转角、直线或多转) 来自动操作( 调节阀、风门、 挡板等) 的开度，通过变频控制方式实现对开度的精确控制，避免了对阀门的冲 击，以达到对被调参数( 温度、压力、流量、液位等) 自动、稳定、精确调节的 目的。 随着微电子、计算机、通讯网络和机电一体化的迅速发展，智能电动执行机 构必将成为阀门控制领域中的发展趋势。 1 2 国内外发展概述i 4 2 l 我国的电动执行器歼始生产于5 0 年代初，是按苏联的有触点执行器进行仿制 的，如n m 、n m t 系列以及b t n 仪表配套使用的电动执行器，主要是通过继电器 完成对电机的控制，结构单一，使用范围较窄。 到5 0 年代末，开始研制无触点电动执行器，如d k j 、d k z 角行程电动执行 器。d k j 、d k z 角行程是我国计划经济时期，全国联合统一设计的产品。d k j 、 d k z 系列电动执行器只接收有源开关量信号( 即接通2 2 0 v ，可全开或全关) 。 当需要连续调节时，需用伺服放大器，安装在计算机与执行器之问。 d 对角行程、d k z 直行程电动执行器有以下几个缺点； ( 1 ) 采用时f b 】、电流的大小来表示阀门的开启角度。由于影响时间、电流( 电 压) 等参数的因素很多，因此显示的开启角度与阀门的实际位置不易达到同步， 经常出现明显的误差； ( 2 ) 电位器模拟信号进行信号传输，因此控制距离短、寿命短； ( 3 ) 计繁琐复杂，零件极易损坏。 随着科学技术的发展，我国的电动执行机构也经历了一次又一次的变革。目 前，i e r 全系列角行程电动执行机构与s r 开关式和积分式角行程电动执行机构 是在吸收国外先进技术基础上，自主开发生产的高智能电动执行机构，其主要采 用1 6 位高性能的单片机构成主控制模块，利用变频调速技术实现对阀门的柔性 控制，具有体积小，传感精度高的特点。但是在使用过程中还存在以下问题： ( 1 ) 电动机的输出力矩小、过载能力差； ( 2 ) 变频模块温升高，寿命短； ( 3 ) 可靠性较差； ( 4 ) 结构复杂，不利于产品更新换代。 国外生产电动执行器的厂家很多吲【5 】，其中比较有影响的有德国e m g 、h & b 、 2 南京理t 丈学硕士学位论文基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 l a w a 、a u m a 、西门子等公司，英国r o t o r k 公司，美国l i m i t o q e 、 k e y s t o n e 、f o x b o r o 、b a m e y 等公司，法国b e r n a r d ( 柏纳德) 公司， 日本富士、安川等公司。 英国r o t o r k 公司生产的电动执行机构，如图1 1 所示： 图1 1r o t o r k 电动执行机构 r o t o r k 的电动执行机构采用其公司专用的c p u 完成产品的开发，并将产品 功能进行模块化的划分，从而使产品结构紧凑又合理。 其技术特点如下： ( 1 ) 内部都集成了一体化变频器，既可控制电机的转向，又可对电机进行精 确控制。 ( 2 ) 对不同的动作，如开速度、关速度、启动速度、接近极限速度和紧急速 度可分别设定不同的速度，可满足不同工况的要求。 ( 3 ) 保护功能较全，有力矩保护、行程限位保护、电机过热保护等功能。 ( 4 ) 采用变频调速设计，避免惯性对阀门冲击，保护阀门，延长使用寿命； ( 5 ) 可自动显示执行机构的工作状态，带故障自诊断功能； ( 6 ) 结构形式有防爆、防辐射、防水、防尘、防护等级最高为i f 6 8 但足r o t 0 c k 公司产品在使用过程也存在自身的不足，主要表现在以下几个 方面： ( 1 ) r o t o c k 执行器对于环境温度有要求，在环境温度低于零下1 0 度时， 执行器保护不输出； ( 2 ) 变频模块容易损坏； ( 3 ) 界面复杂，人机关系较差。 综上所述，国外产品性能总体表现优越，但是产品价格较高，而且维修困难 较大，国内产品与国外产品还存在一定的差距，在性能还有待进一步提高。 3 南京理t 大学硕t - 学位论文摹于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 i 3 课题背景及意义 电动执行机构作为驱动和控制阀门的重要装置，是管网系统控制系统中主要 组成部分，是实现管网自动化控制的“手足”，被广泛应用在电力、冶金、石油 和化工等流体控制领域。 但是由于国内生产的各种电动执行机构在性能上与国外的产品还有一定差 距，不能很好的满足国内市场的使用需求。国外电动执行机构发展较早，产品具 有一定的优越性和先进性，但是价格昂贵，可维修性较差。因此研制我国具有自 主知识产权的智能电动执行器就显得非常重要。 在参照国外厂商的设计原理的基础上，系统提出模块化的设计思想：采用 1 r i 公司专用的电机控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控c p u ，利用变频调速的控制 技术设计智能化电动执行机构，实现安全，平稳和可靠运行。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 具有低成本、低功耗和高性能的处理能力，对电机的数字化 控制非常有用。同时几种先进的外设被集成到芯片内部，形成真正的单芯片控制 器。在与现存2 4 xd s p 控制器芯片代码兼容的同时，2 4 0 x 芯片具有处理性能更好 ( 4 0 m i p s ) 、外设集成度更高、程序存储空j 1 自j 更大、a d 转换速度更快等特点， 是电机数字化控制的升级产品。 采用变频调速原理控制阀门运行，能够实现系统稳定运行，避免对阀体产 生冲击，具有以下优点： 柔性到达全关、开位置：在接近全关、开两个极限位置时，系统会自动 以固定的低速运行。这样可以避免由于惯性对阀门造成的冲撞，保护阀 门、延长其使用寿命。 阀门被卡住时，系统会自动以最低速运行，从而保证输出转矩最大，并 进而使阀门离开卡住位置。 启动和运行电流永小于电机额定电流：系统可以确保电机在启动和运行 电流不会超过其电机额定电流。因此在选配电源电缆和计算功率时，可 以将额定电流和额定功率作为绝对上限，从而节省了配线成本。 实现控制过程最优化，改善阀门线性：在阀门的全行程过程中，可根据 控制过程的实际需要，自动改善输出轴转速，从而实现控制过程最优化， 并可改善阀门线性。 阀门控制最优化：如阀门控制信号和阀门反馈信号偏差很大，则以最快 速度运行，若偏差很小，则以低速运行。 连续监控电机的输出力矩，实现过力矩保护。 自动校正供电电源相序。 随着计算机、通信以及网络的发展，工业自动化也发生很大的变革，这给智 4 南京理工大学硕 学位论文摹于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 能执行器的发展带来了挑战，同时也带来更大的发展空间。因此研制智能执行机 构对我国自动化技术和国际接轨，提高我国自动化专业水平以及在国际市场的竞 争力具有非常重要的意义。 1 4 本文主要工作 系统以电能为动力，通过控制电机转动带动阀门相应动作。阀门控制包括开 度和力矩两种方式：开度控制主要是通过检测电机转数得到阀门开度值 ( o 1 0 0 ) ，并通过与预先设置的开度值比较完成控制阀门的相应动作；力矩 控制主要是保护电机不受损坏，通过检测电机电流得到不同的输出力矩值，并将 检测的力矩值与设定值比较，从而达到保护电机的作用。 另外为了保证电机在各种负载下平稳、安全的运行，避免对阀门造成冲击， 系统采用对电机变频调速控制。同时系统还可以根据远程信号包括远程模拟量 ( 4 2 0 m a ) 和远程开关量实现对阀门的控制。为了实现各种参数的设置，系统 支持遥控器操作和液晶显示功能，实现良好的人机界面。利用远程通讯接口实现 重要参数信息的上传，通过监控确保系统工作正常。 本文主要工作如下： 第二章根据系统总体要求，采用模块化的设计原则，完成系统方案总体设计， 并简单介绍各子模块的功能和设计原理； 第三章完成o s p ， b 围配套电路设计，实现d s p 最小控制系统； 第四章变频调速系统的设计，详细阐述了变频调速的原理、控制方式和变频 调速模块的软硬件实现； 第五章遥控器设计，主要完成红外发送和接收两部分电路设计，并通过d s p 实现键值的译码和识别； 第六章c a n 总线接口设计，包括c a n 总线硬件接口电路设计和通讯协议设 计； 第七章是系统的调试记录，包括系统联调和负载调试，确保系统的正常稳 定运行。 南京理t 太学颂t 学位论文 基于d s p 酊r e l 变频电动执行机构的研制 2 系统总体设计 2 1 概述 2 1 1 设计要求1 4 3 i 系统要求设计一种智能电动执行机构，具有使用性能稳定可靠、控制部分紧 凑合理、各功能单元既相互独立又互有接口、方便维修和在线扩展等优点。 具体设计要求如下： ( 1 ) 能够完成对3 8 0 v a c5 0 h z 功率在8 0 w 1 6 0 0 w 之间三相异步电动机正 反动作； ( 2 ) 能够进行高、中、低三档速度设置； ( 3 ) 能够接受4 - 2 0 m a ( o 一1 0 m a ) 和1 5 v 信号控制，实现在电动机在对应控 制信号位置时停止，不允许过头，出现来回往复震荡现象； ( 4 ) 能够接受开关量控制：通过操作面板上开关或远程的开阀关阀开关控 制，开关闭合时，电机立即启动，开关断开时，立即停止； ( 5 ) 完成对阀门开度检测，并进行反馈控制，同时实时变送4 2 0 r n a 电流信 号输出； ( 6 ) 完成对阀门力矩检测，并进行反馈控制，同时实时变送4 2 0 m a 电流信 号输出； ( 7 ) 控制面板上要有就地、停止、远程三种模式选择开关和就地模式下开、 关揉作旋转开关。仅在停止位胃时方可使用红外设定器进行参数设定。在远程模 式下，可进行模拟量和开关量控制； ( 8 ) 显示部分采用液晶背光型：默认设置下可显示阀门开度、故障报警代码、 操作模式。在进行参数设定时，显示各种设置参数符号。另在线路板上设有四个 l e d 灯：红灯显示全开、黄灯显示中间位雹、绿灯显示全关，另外一个是红外没 定器操作指示灯，每接收到信号时闪烁一下。线路板上应装有红外线接收器。与 红外设定器进行通讯： ( 9 ) 电机的过热保护采用热保护器，电机内埋入p t l 0 0 热电阻，可用红外 设定器进行( 8 0 1 8 0 ) 内的任意温度设定，起保护电机作用； ( 1 0 ) 一块9 v 干电池能在无电源情况下，给显示部分和检测部分供电，以保 证显示和跟踪阀门实际位置： ( 1 1 ) 预留c a n 总线接口电路，方便计算机组网操作。 6 南京理t 大学硕t - 学位论丈摹于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 2 1 2 功能分析 按照上述设计要求，系统主要有三种模式：就地模式、停止模式和远程模式。 其中就地模式主要实现现场控制，包括现场开、关阀过程；停止模式主要进行遥 控器操作，实现参数设置。远程模式主要实现远程信号控制，包括远程模拟量和 开关量。 根据上述三种工作模式，系统需要实现的功能如下： ( 1 ) 系统要求电机有三档不同的速度，因此系统采用变频调速设计，满足不 同速度的设计要求；并且电机变频运行可以减少对阀门的冲击，使系统运行更加 稳定： ( 2 ) 为了实现对阀门开度的检测，系统需要检测电机的转速； ( 3 ) 为了实现对阀门力矩的检测，系统需要检测电机的运行电流，从而日j 接 检测力矩的大小； ( 4 ) 由于开度和力矩值需要变送输出，因此系统要设计变送模块； ( 5 ) 为了实现远程模拟量的控制，系统需要检测远程模拟量值，经过a d 转 换实现在电动机在对应控制信号位置时停止； ( 6 ) 为了实现非侵入式操作要求，系统需要设鼍大量的参数，因此系统需要 设计红外遥控电路。另外设置的参数要在液晶屏上显示，系统还需要设计显示模 块； ( 7 ) 由于系统掉电后还需要检测和记录开度值，系统需要设计掉电检测模块。 为了使系统在掉电后能够长时间工作，在掉电后系统通过一款低功耗单片机检测 和记录开度，其他电路都保持掉电状态； ( 8 ) 针对电机内部温度可能出现过热现象，系统还应该设计温度检测模块， 是温度检测功能； ( 9 ) 为了方便实现计算机组网操作，系统需要预留c a n 总线接口电路。 经过上述分析，系统功能一目了然，为系统总体方案设计奠定了一轻实的基础。 2 2 系统总体方案设计 2 2 1 系统设计原则 结合系统要求，系统在总体方案设计采用了以下基本设计原i t j ( 1 ) 模块化设计：整个系统由不同功能的模块组成，可以根据不同场合的需 要进行选配、裁减，使得系统使用性能更加稳定可靠，并且维修和保养简单易行。 整个电路部分紧凑合理，各部分既相互独立又互有接口。模块化设计思想是本系 统采用的第一基本设计原则。 ( 2 ) 抗干扰设计：考虑到系统工作的现场环境复杂和多变，抗干扰设计应该 7 南京理工大学硕士学位论文基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 始终贯穿在硬件设计之中。通过合理的器件选型、布局、适当的布线策略以及隔 离措施尽可能的减少各种干扰；同时可以设计各种滤波电路相互配合使用，以保 证系统正常稳定运行。 ( 3 ) 低功耗设计：由于系统自身要求密封性，加之系统工作环境温度也比较 高，因此在选择器件时要从低功耗角度出发，保证系统发热量较少。同时系统要 求在掉电后要通过9 v 电池完成开度检测和显示，因此系统需要考虑低功耗设计。 ( 4 ) 人性化设计：系统要求能够进行各种参数的设置和显示，因此液晶显示 界面和遥控器设计都应该遵循人性化的设计理念，让用户操作简单易懂。遥控器 部分按键设计尽量简单，容易操作。 ( 5 ) 可扩展设计：考虑到当今技术的飞速发展，在器件选择、软硬件设计上 都有一定的前瞻性，留有一定的扩展空间。 2 2 2 主控模块选型 主控模块是系统的核心部分，负责整个系统的资源分配，其他模块通过它完 成各自对应功能。 按照上述功能分析，系统主控模块主要实现对电机的变频调速控制，能够完 成开度和力矩检测。同时为了方便检测各种参数，主控模块还需要带有a d 转 换功能。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为d s p 控制器2 4 系列的新成员，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 t m 平 台下的一种定点d s p 芯片。2 4 0 x + 芯片为c 2 0 0 0 c p u 功能强大的1 m s 3 2 0 1 m d s p 结构设计提供了低成本、低功耗和高性能的处理能力，是t i 公司推出控制电机 的专用芯片，对电机的数字化控制非常有用p l 【加1 。同时几种先进的外设被集成到 芯片内部，形成真正的单芯片控制器。在与现存2 4 xd s p 控制器芯片代码兼容的 同时，2 4 0 x 芯片具有处理性能更好( 4 0 m i p s ) 、外设集成度更高、程序存储空间 更大、a d 转换速度更快等特点，是电机数字化控制的升级产品f 1 i 【2 i d i 。因此选 用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为本系统的主控制c p u 能够很好的实现系统功能。 下面从以下几个方面阐述选用1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为系统主控制c p u 的必要 性： ( 1 ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有两个事件管理器e v a 和e v b ，每个事件管理器包括 两个1 6 位的通用定时器和8 个1 6 位的脉宽调解( p w m ) 通道，具有可编程p w m 的死区控制，能够很好的完成电机的变频控制，实现对阀门的精确控制。 ( 2 ) 每个事件管理器模块内部提供一个3 路信号捕捉接口c a p ，能够用于 脉冲信号的脉宽长度的捕捉，系统遥控器部分的接收电路就是基于c a p 捕捉端 口实现。 ( 3 ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部集成高性能的1 0 位a d 模数转换器( a d c ) ，其转 8 南京理t 大学硕士学位论文基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 换时间为5 0 0 n s 。1 6 路的模拟输入具有自动排序功能，使得最大为1 6 路的转换 在同一转换期间进行而不会增加c p u 的利用率。系统可以利用内部的a d 完成 各种参数的检测，而不需要外接a d 器件。同时，a d 模块有多种出发方式：包 括软件触发、事件管理器触发等。通过事件管理器触发a d 可以方便检测电机的 实时电流，从而更好的保护电机正常运转。 ( 4 ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 带有丰富的总线接口：串行通信接口s c i ，能够实现与 系统中的其他控制器进行异步通信( r s - 4 8 5 ) 。同时该芯片还提供了一个1 6 位的 同步串行外设接口s p i 、符合c a n 2 0 b 的规范要求的c a n 通讯模块。能够方便 实现总线的扩展，实现远距离通讯。 综上所述，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为 电机控制系统的应用提供了一个理想的解决方案。 另外系统电源设计主要基于3 8 0 v a c ，当现场需要维护设备等特殊情况发生 时，需要断开3 8 0 v a c 时，系统还需要具有开度的检测和显示功能，因此在系统 电源断开时，系统应该自动使用系统的应变电源( 9 v 电池) 。但是考虑到d s p 的功耗较大，为了保证系统在掉电后能够运行更长时间，系统采用双c p u 设计， 即在掉电后电源只对低功耗的单片机供电，完成开度的检测和显示。 系统中单片机负责开度的采集、运算和显示各种参数等，同时还要将采集的 开度值发送到d s p 。正常情况下，单片机的电源由系统电源( 3 8 0 v a c ) 提供。 当系统掉电时自动通过掉电检测模块将单片机的电源连接到系统的备用电源 ( 9 v 电池) ，保证了系统可靠、长期、安全的运行。 系统选用的单片机为a t m e l 公司a t 8 9 c 2 0 5 1 ，引脚数为2 0 ，能够很好的 满足系统的使用。经过检测，掉电后系统的功耗大约为5 m a ，达到系统的要求1 4 j 。 2 2 3 总体方案设计 在遵循模块化、抗干扰、低功耗、人性化和可扩展性等基本设计原则的基础 上，采用n 公司专用电机控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为系统的主控c p u ，按照系 统功能要求完成总体方案设计。 图2 1 为系统的整体结构图，主要有以下模块组成：变频模块、d s p 模块、 电源模块，力矩检测模块、开度检测模块、力矩和开度变送模块、远程控制模块、 红外发送与接受模块、模式选择模块、温度检铡模块、掉电检测模块、液晶显示 模块、单片机与d s p 通讯模块、c a n 总线接口模块。 如图2 1 所示，系统工作在三种模式状态：远程模式、就地模式和停止模式。 通过模式选择模块设定不同的工作模式。就地模式下可以通过模式选择模块完成 开、关阀操作。远程模式下，通过远程控制模块系统接收远程信号控制，包括远 程模拟量和远程开关量。停止模式下可以进行遥控器设置，完成各种参数的设置。 9 南京理t 大学硕学位论文摹于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 液晶显示由单片机完成。 任何模式启动电机都会启动阀门的开度和力矩检测，通过反馈控制完成相应 控制，同时将检测的开度和力矩值变送4 - 2 0 m a 电流信号输出，以便外围设备检 测和监测。 掉电检测模块负责检测3 8 0 v a c 是否存在，当3 8 0 v a c 电源存在时d s p 和 单片机电源正常由电源模块提供，系统掉电时，检测模块会自动将9 v 电池电源 提供给单片机，d s p 处于掉电状态。 同时为了保证电机在各种负载下平稳、安全的运行，避免对阀门造成冲击， 系统采用电机变频调速：由于变频模块属于功率器件，因此需要对其进行温度检 测。 ：3 8 0 v a c ：5 0 h z 图2 i系统总体结构图 i o 南京理t 夫学硕士学位论文基于d s p 的r e l 变顿电动执行机构的酽制 2 3 各子模块方案设计 2 3 1d s p 模块1 1 1 2 1 1 3 l d s p 模块是系统的核心部分，负责整个系统的资源分配，其他模块通过它完 成各自对应功能。系统选用的1 1 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为系统主控c p u ，具有 以下特点： ( 1 ) t i 公司推出的电机控制的专用芯片； ( 2 ) 片内集成两个电机控制的事件管理器，每个包含8 个1 6 位p w m 输出通道( 其 中6 路为电机变频专用控制) ，具有可防止上下臂直通的可编程死区功能； ( 3 ) 丰富的片内资源： 3 2 kf l a s h ，2 k 字的单d r a m 、5 4 4 字的双口i 认m ： 1 6 路1 0 位a d 转换器； 增量式光电编码器接口； 串行接i = i s p i 、s c i 和c a n ； ( 4 ) 强大的计算功能( d s p ) 和控制功能； ( 5 ) 属于主流产品，采购方便，性价比高， 综上所述，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为 电机控制系统的应用提供了一个理想的解决方案。 2 3 2 电源模块 电源模块负责向系统提供不同电压和电流要求的电源信号。系统需要以下几 组电源：1 ) 5 v 0 5 a ：d s p 模块电源；2 ) 2 0 v 0 5 a 电源：变频驱动模块电源； 3 ) 2 4 v 0 。5 a 电源；开度和力矩变送模块电源；4 ) 2 4 v 0 5 a 电源：备用电源， 向外界系统提供电源。系统的电源模块主要由变压器、整流滤波电路和稳压电路 组成，产生各模块电路所需的稳压电源。如图2 2 所示： 3 8 0 一圉一困一 图2 2 电压模块原理图 根据系统需要，变压器输入为3 8 0 v a c ，输出有四组信号：7 5 v 0 5 a 经过 整流滤波输出1 0 v 直流电压，经过稳压模块( l m 7 8 0 5 ) 稳定输出5 v 电压信号， 作为d s p 控制板电源：两组2 2 v 0 5 a 经过整流滤波输出3 0 v 直流电压，经过稳 压模块( l m 7 8 2 4 ) 稳压输出2 4 v 直流电源电压，其中一组2 4 v 为系统保留电源， 向系统外部提供，另一组作为变送模块电源，2 4 v 电源能够保证变送模块的驱动 南京理t 丈学硕士学位论文基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 电阻不小于8 0 0 欧姆；2 0 0 5 a 经过整流滤波输出2 8 v 直流电压，经过三端可调 稳压模块( l m 3 1 7 ) 输出2 0 电源电压作为变频模块的驱动电源。 2 3 。3 变频调速模块 为了实现电机稳定、精确的控制和在接近终点位置时避免对阀门的冲击，系 统采用变频调速设计。 对三相交流电机的调速方法很多【5 】f 6 】【8 1 ：大致可分为以下几种： ( 1 ) 改变转差率s 调速：包括降电压调速、转子回路串电阻调速等等； ( 2 ) 改变旋转磁通势同步转速调速：包括改变定子绕组极对数调速、改变供 电电源频率等等； ( 3 ) 双馈调速：包括串级调速，属于改变理想空载转速的一种调速方法。 上述几种调速方法都是在牺牲电机输出力矩的基础上完成的，而变频调速 方法属于无级调速，能够很好的根据要求输出各种不同的速度，并且可以通过设 计使得输出功率恒定，在各种调速系统中得到广泛的应用。 变频模块的功能就是将频率、电压固定的交流电源信号变换成频率、电压 都连续可调的交流电源。变频模块主要包括整流、滤波、逆变电路及驱动电路等 部分组成，如图2 3 所示：交流电源经整流、滤波后变成直流电源，驱动电路有 规则地控制逆变电路的导通与截止，向异步电机输出电压与频率可变的电源，驱 动电机运行。为了实现速度精度控制和快速响应，系统采用闭环控制方法：即通 过检测电机转数和电流，经过反馈运算控制s p w m 信号输出，完成闭环控制。 图2 3 变频模块硬件结构图 逆变电路为变频模块的核心组成，它负责产生电机运行的三相交流电压。逆 变电路通常采用i g b t 模块来实现相应功能。系统选用日本富士公司i g b 卜 7 m b r l 0 s a l 2 0 ”1 ：其内部主要由6 个大功率i g b t 构成，通过驱动电路实现逆 变输出。除了可以输出三相交流电压，其内部具有很好的保护措施，通过检测内 部热敏电阻可以监测模块工作。 系统选用的7 m b r l 0 s a l 2 0 为3 8 0 v a c 电机变频专用模块，能够驱动1 5 0 0 w 以下的电机变频调速。 1 2 南京理t 人学硕 学位论文基 二d s p 的r e l 变频电动执行机构的铲制 2 3 4 力矩检测及变送模块 根据系统要求，为了确保电机正常运行，系统需要实时检测电机电流，并经 过计算得到电机对应输出力矩，通过与设定力矩值比较完成保护功能。 系统采用直接检测方法，通过检测电机电流完成力矩检测，此处的电机电流 为三相总电流。将取样电阻串接到变频模块主回路中，通过检测两端电压完成电 流检测。两端电压通过滤波、调理后送入d s p a d 进行采样检测。图2 4 为力矩 检测模块的原理图： 电机 图2 4 力矩检测模块原理图 具体工作过程如下：通过软件设置力矩值( 以百分数的形式设置，1 0 0 为 额定力矩输出) ，将设置的力矩值与实际检测的力矩值比较，大于设置值时则停 止工作。 取样电阻选用康铜丝，具有阻值很小，耐流很大的特点。阻值大小由自身的 长度决定。 ， 另外为了方便外界对系统的监测，需要将力矩信号变送4 - 2 0 m a 电流信号输 出，因此系统还要设计变送模块。 x t r l l 5 是一款v i 转换芯片，性能参数满足系统要求，实现变送要求1 9 j 。 2 3 5 开度检测及变送模块 阀门控制有两种方式：力矩和开度控制。开度控制是指将通过检测开度大 小完成对阀门的限位控制。因此开度是系统中要检测的重要参数，直接体现阀门 目前的位置。 阀门是电机带动运行的，因此可以通过检测电机的转数，在经过简单的计 算完成开度的检测。 系统采用霍尔原理完成电机转数检测，具体检测方法如下；在电机轴安装 一个圆盘，圆盘边缘等j - 日j 距安装6 个磁钢。为了识别电机正反转，需要2 个霍尔 器件，而且霍尔器件的安装位置要保证输出信号为正交信号。所谓正交信号是指 两路信号频率可变但相位相差9 0 度的脉冲信号，如图2 5 所示：假设前半部分 为正转对应的脉冲原理图，则在b 路上升沿到来时对应a 路为高电平；后半部 分为电机反转对应的脉冲图，与前者相反，b 路上升沿到来时对应a 路为低电 平，利用上述特点才能够识别电机正反转。 南京理t 大学硕士学位论文 基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 ： 正转 图2 5 正交信号示意图 电机转动带动磁钢转动，两个霍尔器件会输出正交脉冲信号。信号经过滤 波处理后将b 路脉冲信号与a t 8 9 c 2 0 5 1 外部中断0 相连，a 路信号与p 1 7 口相 连，外部中断0 的服务程序根据p 1 7 的高低来完成电机正，反转的检测：当检 测为高就在原有数据的基础上加一，反之则减一，如图2 6 所示。在经过计算就 得到对应的开度值。 a i n t o 正 r r 苣 交， 滤 片 信 波 机 号 r i o 图2 6 开度检测原理图 同时为了方便外界对系统的监测，需要将开度信号变送4 - 2 0 m a 电流信号输 出，因此系统还要设计变送模块。选用x t r l l 5 实现变送要求。 2 3 6 远程信号控制模块 系统具有三种工作模式，其中远程模式是指通过远程信号对阀门进行控制。 远程信号包括远程开关量和远程模拟量。远程模拟量包括4 - 2 0 m a 电流信号和 1 - 5 v 电压信号。系统认为4 m a 和1 v 对应开度o ，2 0 m a 和5 v 对应开度1 0 0 ， 中间部分根据计算可以得到任意开度值，从而实现远程模拟量对阀门开度的控 制。 图2 7 为系统采用的远程模拟量检测原理图：由于远程信号经过长距离传 输，可能会有大量的干扰信号。因此系统检测远程模拟量采用差分放大器完成。 由于4 - 2 0 m a 为电流信号，不能直接蔑分检测，系统通过取样电阻实现i 电流 转换，取样电阻r = 1 0 0 欧姆。信号经过差分后经过相应的调理后送入d s pa d 转换。 1 4 南京理工大学硕士学位论文摹于d s p 的r e l 变频电功执行机构的研制 图2 7 远稃模拟罩检测原理图 远程开关量包括远程开阀、关阀和保位。开阀是指阀门打开到1 0 0 ，而关 阀则是关闭到o ，保位则是指阀门保持开度状态不变。 为了避免远程开关量对d s p 系统的干扰，系统需要将远程开关量进行光耦 隔离，隔离后在送入d s p 的i o 进行检测，完成开关量控制。 2 3 7 红外发送与接收模块 由于系统采用无侵入式设计，各种硬件和软件的参数设置都要通过遥控器 实现。遥控器可以通过无线和红外两种方式实现，考虑到系统设置距离不可能很 远，所以采用红外遥控方式实现。 红外遥控控制电路系统由发射器与接收器两部分构成：发射器由指令键指令 信号电路、调制电路、驱动电路、红外发射管组成。当指令按键被按下时，发射 电路可以输出一定数量被编码调制的脉冲信号。接收器由红外线接收器件前置放 大电路和d s p 系统组成。当接收器件收到红外编码信号时，由d s p 系统经过脉 冲计时并存储，再通过软件解码，进行识别处理，最后完成控制调节。 实现过程如图2 8 所示：红外发送模块发出一定数量的脉冲调制信号，接 受模块会将其送至d s p 内部的信号捕捉电路( c a p ) ，通过计时判断得到1 6 位 的二进制数据，不同的键盘操作会得到不同的数据，从而转入不同的键盘服务程 序，可以方便实现键盘的操作。 解 码 电 路 ；二：二 图2 8 遥控器原理图 2 3 8 液晶显示模块 液晶显示是系统的视窗，实现各种参数信息的显示。由于采用双c p u 设计， 液晶显示模块由单片机驱动完成。液晶的信号接口为串行输入，其与单片机的连 南京理工大学硕学位论文基于d s p 的r e l 变频电动执行机构的研制 接设计如图2 9 所示： p 3 5 圮s 兰 r 片p a4 c l k r 机 p 12 d a l ：a a t 8 9 c 2 0 5 1液晶模块接口 图2 9 单片机与液晶模块接口电路 其q ，c s 为片选端，低电平有效；c l k 为串行输入时钟信号端，每个时钟 的