（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的智能型电动执行机构的研制.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：罩k l 日期：业：量! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：陲丛 导师签名 摘要 基于d s p 的智能型电动执行机构的研制 研究生姓名：陈鸽 导师姓名：许飞云教授 学校名称：东南大学 针对智能型电动执行机构设计要求，研制了基于d s p 的智能型电动执行机构，设计了相关 的硬件电路和控制软件。 首先，给出了模块化的智能型电动执行机构总体结构，确定了主控芯片、红外遥控、直 流无刷电机( b l d c ) 驱动和人机接口等方案。 、 其次，设计了智能型电动执行机构的硬件电路，详细分析了各功能模块硬件电路原理并 给出了相应的电路原理图，主要分为d s p 主控模块电路、直流无刷电机驱动电路、力矩检 测电路、开度检测电路、l c d 接口电路、红外遥控发射接收电路、c a n 通讯接口电路。 然后，围绕智能型电动执行机构的功能要求和设计原则，设计了相应的控制软件的总体 结构，并编写程序实现了软件功能，主要包括以下几个方面：控制系统主程序、l c d 液晶 显示模块、红外遥控发射接收模块。 测试结果表明本文所研制的智能型电动执行机构达到了设计要求。 关键词：电动执行机构，d s p ，无刷直流电机，红外遥控 r e s e a r c ho ni n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rb a s e do n d s p b y c h e ng e s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rx uf e i 。y u n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a i m e da tm ed e s i 鲈r e q u i r e m e n to fi n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r , ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) b a s e di n t e l l i g 酬e l e c t r i ca c t u a t o ri sd e v e l o p e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h e p r o g r a ma r ed e s i g n e d i nt h ep a p e r f i r s t l y t h ea r c h i t e c t u r eo fi n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r i sg i v e n ，a n dt h es o l u t i o n sa l ee s t a b l i s h e d ， 嬲w e l la st h es e l e c t i o no fm c u ，t h es o l u t i o n so fi n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l ，t h r e ep h a s eb r u s h l e s s d cm o t o rd r i v e t h em a i l - m a c h i n ei n t e r f a c e ，e t c s e c o n d l v t h eh a r d w a r ec i r c u i t so fi n t e l l i g e n t e l e c t r i ca c t u a t o ra r ed e s i g n e da n di t s f u n c t i o n m o d u l e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e s ec i r c u i t si n c l u d ed s p m a i nc o n t r o lc i r c u i t ，b l d cd r i v e c i _ r c u i t ，t h et o r q u em e a s u r ec i r c u i t ，t h eo p e n i n gm e a s u r ec i r c u i t ，l c di n t e r f a c ec i r c u i t ，i n f r a r e d r i 暑m o t ec o n t r o lc i r c u i ta n dc a nc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h e n t 1 1 es o 小a r ef o ri n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o ri sp r o g r a m m e dw i t hc o n c e r n i n go f t h ed e s i g n c o n t e n ta n dp n n c i p i e s t h es o f t w a r ei n c l u d e sm a i np r o g r a m ，l c dd r i v em o d u l e ，a n di n f r a r e d r e m o t ec o n t r 0 1m o d u l e t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e l l i g e n te l e c t r i c a c t u a t o rb a s e do nd s pi sf e a s i b l ea n d e 仟e c t i v e k e yw o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o r , d s p , b r u s h l e s sd c m o t o li n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l n 目录 摘要 目录 i a b s t r a c t i i 第1 章 1 1 1 2 1 3 绪论1 课题的研究背景和意义1 国内外研究现状2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2国外研究现状3 课题研究内容5 第2 章 智能型电动执行机构的总体方案设计6 2 1智能型电动执行机构的功能要求6 2 2智能型电动执行机构硬件总体方案设计7 2 2 1 硬件的总体结构8 2 2 2 主控模块9 2 2 3 直流无刷电机驱动模块1 0 2 2 4 力矩检测模块1 2 2 2 5 开度检测模块。1 3 2 2 6远程控制模块一1 4 2 2 7 液晶显示模块一1 5 2 2 8红外遥控模块1 5 2 2 9现场总线模块一1 6 2 3智能型电动执行机构软件总体方案设计1 7 2 3 1软件的总体思路一1 7 2 3 2系统软件流程图1 7 2 4本章小结1 9 第3 章 3 1 3 2 智能型电动执行机构的硬件设计2 0 d s p 主控模块电路2 0 3 1 1时钟电路一2 0 3 1 2电源与复位电路一2 0 3 1 33 3 v 与5 v 混合逻辑系统设计2 2 3 1 4j - t a g 仿真接口2 3 3 1 5外扩存储器r a m 2 3 直流无刷电机驱动电路2 4 h i 目录 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 第5 章 力矩检测电路2 6 开度检测电路一2 7 l c d 接口电路2 8 红外遥控发射接收电路3 0 c a n 通讯接口电路。3 2 p c b 设计3 3 本章小结。3 3 智能型电动执行机构的软件设计及应用 编译环境和设计流程3 4 红外发射接收模块。3 5 l c d 液晶显示模块3 7 智能型电动执行机构的功能测试4 1 本章小结4 6 总结和展望 4 7 5 1 全文总结4 7 5 2研究展望4 7 参考文献。 致谢 i v 4 9 5 1 第l 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 第1 章绪论 当今世界工业高速发展，与工业发展密切联系的水、气、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型。 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。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化 成驱动作用。其中电动执行装置具有比传统的机械式执行装置动作和响应速度快、工作效 率高、调速性能好等优点，它作为控制和驱动阀门的重要装置，在石油、电站、污水处理 等工业现场得到了广泛的应用。 基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用于控制阀的执行机构能够精确 的使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都是用于开关阀门，但是如今的执行机构的 设计远远超出了简单的开关功能，它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装 置，逻辑控制装置，数字通讯模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内【2 】【引。 因为越来越多的工厂采用了自动化控制，人工操作被机械或自动化设备所替代，人们要 求执行机构能够起到控制系统与阀门机械运动之间的界面作用，更要求执行机构增强工作 安全性能和环境保护性能。在一些危险性的场合，自动化的执行机构装置能减少人员的伤 害。某些特殊阀门要求在特殊情况下紧急打开或关闭，阀门执行机构能阻止危险进一步扩 散同时将工厂损失减至最少。对一些高压大口径的阀门，所需的执行机构输出力矩非常大， 这时所需执行机构必须提高机械效率并使用高输出的电机，这样平稳的操作大口径阀门【4 j 。 随着微电子技术、计算机技术、通讯网络技术和自动化技术将继续高速发展，作为工业 自动化技术工具的自动化仪表与装置也将跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。近年 来，我国仪器仪表行业有长足的发展，无论是在新产品的开发研制能力、产品科技含量和推 广应用等方面，都取得可喜的成绩。目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平达到国际二十 世纪八十年代中期水平，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，约1 5 的产 品实现了智能化，达到国际二十世纪九十年代的水平，3 0 的产品实现了数字化，达到国际 二十世纪八十年代末期水平。智能电动执行机构系列是一类新型终端控制仪表，它根据控制 电信号，直接改变阀的位置。由于人们对控制系统的精度和动态特性提出了越来越高的要求， 选用电动执行器与控制系统连接，直接接收电控制信号，能够获得最快响应时间，实现控制 也更为合理、方便、经济，因而受到用户的欢迎。数字技术和单片机技术的迅猛发展给工业 过程检测、控制带来了较大变化，智能电动执行机构与控制技术紧密相连，是现代控制技术 l 东南人学硕士学位论文 的具体运用领域之一。因而自主开发性能先进、功能完善、工作可靠尤其是可对阀门实现远 距离控制、现场操作、集中控制的新型智能化阀门控制器有着十分重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 近几年来，随着计算机技术、电子技术以及大规模集成电路的发展，各种高性能的电子 器件和微处理器为数字化阀门控制器的开发研究奠定了基础。国内外在阀门的智能控制方面 也做了大量的研究工作跚6 1 。 1 2 1国内研究现状 国内电动执行器的研制起步较晚，是从苏联有触点的执行机构进行仿制开始的，6 0 年代 末、7 0 年代初，逐步发展t d d z i i 型乘i d d z i i i 型产品【7 1 。8 0 年代以来，随着电力电子技术 的发展，电动执行器发展快速，无触点的d k j 型角行程和d k z 型直行程电动执行机构两大类 产品进入市场，d k j 、d k z 是国内最早的、唯一生产的电动执行器，此产品以结构简单、经 济实用等优点被最早的国营大型企业使用，如图1 1 所示。 ( a ) d k j 型( b ) d k z 型 图1 - 1d k j 、d k z 型电动执行机构 目前国内仪器仪表行业产品大多属于中低档水平，随着国际上数字化、智能化、网络化、 微型化的产品逐渐成为主流，差距还将进一步加大。目前高档、大型仪器设备大多依赖进口， 中档产品以及许多关键零部件，国外公司占有国内市场6 0 以上的份额，而国产仪器约占全 球市场不到千分之二的份额，我国仪器仪表虽然技术指标同国外同类产品比较差距不大，但 产品稳定性和可靠性的问题依然突出【8 】。 国内各行各业现广泛采用的d d z 仪表的执行器单元包括d k j 角行程执行器和d k z 直线行 程执行器两类，两者都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构。这两类执行器的电气原理 完全一样，主要包括伺服放大器、电动操作器、伺服电机、减速器、位置传感器等几部分。 以上这两种电动执行器，虽然解决了危险工作区域或实时控制区域的远程控制问题，但是他 们却无法与上位机进行通讯连接，不能与其它仪表的状态相互通讯，上位机也不能及时捕捉 到执行器的运转状态，硬件结构也过于复杂，并且在性能方面也存在以下几点缺附9 】： 2 第1 章绪论 ( 1 ) 电磁抱闸失灵，造成惯走、摆头或打不开； ( 2 ) 堵转或超力矩时，电机或分相电容烧坏； ( 3 ) 伺服主电路器件烧坏或保险丝熔断； ( 4 ) 反馈信号源电路性能漂移或损坏。 今天，d k j 、d k z 系列与以前相比有了两大实质性改进：( 1 ) 生产出直接受计算机控制的 智能电子型、户外型、隔爆型等改进型产品；( 2 ) 将电路控制部分罐封在一个小型塑料盒中， 即模块，形成了便于维护的即插即用。因此，普通d k j 型和d k z 型的可靠性、精度、负载能 力、信号品质系数等性能有了很大提高，而且对环境条件的要求降低了很多。 随着现代工控计算机管理的发展，目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升， 微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，多数产品实现了智能化。智能型电动 执行器实现了智能控制、防护等级高、控制精度较高、重量轻、稳定性好的功能【l o j 【l 。如上 海光辉自动化阀门有限公司生产的r q m 系列智能型电动执行机构就具备这些特点，其位置 控制基本误差= 1 ，重复性误差：( 设定行程时间2 5 s ) 1 。上海工业自动化仪器仪表 研究所开发的r k z 系列智能电动执行机构采用全封闭、一体化结构；传动系统采用蜗轮蜗杆 式，传动平稳、承载能力强、传动精度高；具有自诊断、自调整功能。此外，天津贝尔仪表 有限公司生产制造的s k j 快速系列( 3 s 或6 s ，国内最快) 特别适用于需要紧急动作的工作场合。 但国内的许多智能电动执行器是引用国外先进技术生产制造的，如天津市龙城自动化仪表有 限公司生产制造的s h 系列智能型电动执行机构采用了法国新一代先进技术。 因此，与国际上先进的智能化电动执行器相比，现有的国产电动执行机构仍存在控制方 式落后，可靠性不高，不能根据生产的实际要求进行参数的现场调整，不能组成网络进行 远程控制等问题。在安全防爆性能等方面，远远低于气动执行机构，影响了它的应用i l 2 。 目前国内普遍使用d k j 和d k z 型两大类产品，一些企业使用d k j 、d k z 的更新换代产品， 但在控制要求较高的实验、生产控制中，主要是依赖价格较高的国外智能产品。如德国 s i p o s 、a u m a 、e m g ，英国r o t o r k ，法国b e r n a r d ，美国l i m i t o r q u e 等电动执 行器。随着各种过程控制要求的不断提高，电动执行器必须提高控制性能，才能真正提高 自动控制水平【1 3 】。“八五 期间，随着计算机技术的推广应用，机械工业部组织行业内有关 研究所和企业进行科技攻关，也相继开发了带微机的智能执行机构产品1 1 4 儿1 5 j 。 1 2 2 国外研究现状 与国产电动执行机构相比，国外电动执行机构厂家表现活跃，产品发展迅速。从1 9 0 5 年，西门子公司生产出世界上第一台电动执行机构后，国际上电动执行器技术水平发展迅 速。2 0 世纪8 0 年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器，在工业现场 取得了较好的应用效果i l6 - 。随着高新技术的迅猛发展，目前国外己开发出新一代智能化电 动执行机构产品，电子计算机技术、微机控制技术己在阀门设计中得到广泛应用。这些智 能化电动执行器功能强大、简单可靠、技术先进【1 7 】【1 8 】。国际著名的电动执行器公司英国的 r o t o r k 生产的i q 系列智能化电动执行器，不但具有智能通信、智能控制、支持多种现 东南大学硕j 二学位论文 场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中， 防水防爆，终身可靠，调试及故障排除简单，如图1 2 所示 图l 一2r o t o r k 生产的i q 系列智能电动执行器 a b b 公司生产的o n a t 智能型电动执行器，居于国际领先地位，以可靠性高、定位精 确著称。其o n t r a cm m e 8 0 0 系列调节型电动执行器，定位速度小于5 s ，输出力矩大，适应 能力强，具有良好的机械、电机调节特性，先进的微处理技术及通讯接口与p c 或d c s 连 接，采用通用的h a r t 或p r o f i b u s 通讯协议，接受模拟量或开关量信号控制，用户通过控制 面板即可进行参数调整、功能设置、执行器动作设定、远程监控等，以适应阀门的最佳控 制特性，如图1 3 所示。 图1 3a b b 公司生产的o n t r a cm m e 8 0 0 系列智能型电动执行机构 代表着该领域的世界先进水平的公司还有美国的j o r d a n 公司和l i m i t o r q u e 公司 等几家国外著名的公司。j o r d a n 公司的智能电动执行器突出特点是动作频率高，其动作 频率是2 0 0 0 - 4 0 0 0 h ，而国内的电动执行器动作频率在2 0 0 0 h 以下，一般动作频率达到1 2 0 0 h 就是很高的了。总之，国际上智能电动执行器有以下特点：( 1 ) 智能通信，智能控制智能 电动执行器利用微机技术和现场通信技术，实现双向通信、在线自动标定、自校正与自诊 断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平【1 9 1 。( 2 ) 机电一体化新型智能化电动执行 机构将伺服放大器与执行机构合为一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控 4 第1 苹绪论 制性能。( 3 ) 控制策略更为先进先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位， 提高控制精度【2 0 1 。n u c o m 电动执行器利用先进的电制动技术，控制精度可达1 2 5 0 ，国产的 普通型d k z 及d k j 电动执行器控制精度一般为2 5 1 0 0 。 由于高新技术的迅速发展，随着关键元器件技术难关的突破，智能化阀门电动执行装置 在国外已经形成许多系列产品，广泛应用于许多任务业领域中。英国的r o t o r k 公司、德 国的西门子公司、美国的l i m i t o r q u e 公司等几家著名公司生产的智能阀门电动装置功能 强大，简单可靠，技术先进，代表了这一领域的世界先进水平。 1 3 课题研究内容 本系统主要设计智能型非侵入式阀门控制器，产品设计主要包括主控部分、电源部分、 反馈检测部分、通讯部分、输出输入部分、面板显示和操作部分。系统采用d s p 、红外遥控 等技术主要完成对阀门开度的控制。系统采用直流无刷电机专用集成芯片以确保电机在各种 负载下安全、平稳的运行且不对阀门造成任何冲击【2 1 1 。由于逆变器中含有功率器件，因此需 要对其进行温度检测，同时为了保证电机正常运行还需要对电机内部温度进行检测。远程信 号可以实现对阀门的远程控制，包括远程模拟量和远程开关量。通过设置不同的远程模拟量 信号大小，实现不同的对应开度。远程开关量控制阀门的全开与全关。 系统具有遥控器控制和液晶显示功能，以实现各种参数的设置，且具有良好的人机界面。 此外，系统具有串行总线扩展，可以方便实现组网操作。 本课题的主要研究内容，如下： ( 1 ) 对系统总体框架进行分析设计，解决d k 系列电动执行器的缺陷，具有控制灵活、定位准 确、制动简单等特点； ( 2 ) 设计一种基于d s p 的数字控制系统，很好的发挥了d s p 数字处理功能强大、运算速度快的 特点，对系统进行实时控制，完成指令输入、开度检测、故障检测、状态l c d 显示和上 位机通讯等功能； ( 3 ) 根据硬件设计，制作控制电路的印刷电路板，使得硬件电路模块化、人性化，具有低功 耗、抗干扰能力强的特点； ( 4 ) 针对硬件系统的设计要求和系统的总体框架，设计系统的控制流程，并编写基于c 语言的 程序。 东南大学硕十学位论文 第2 章智能型电动执行机构的总体方案设计 随着工业自动化的不断发展，特别是计算机速度的飞速发展，传统电动执行器的弊端及 无法实现的功能也随之暴露出来，一种安全、稳定、可靠、界面友好、智能化的电动执行 器才能与自控系统相适应。 2 1 智能型电动执行机构的功能要求 智能型电动执行机构的功能要求主要包括： ( 1 ) 要求当输入1 - 5 v ( 4 - 2 0 m a ) 等信号时，经过内部处理器运算和程序处理后能控制直流无 刷电动机正反转动作，电动机在对应控制信号位置时停止，不允许出现来回往复震荡现 象。 ( 2 ) 控制器也接受开关量操作。通过操作面板或远程的开阀关阀开关，开关闭合，电机连 续运行，开关断开时，立即停止。 ( 3 ) 控制面板上要有就地、停止、远程三种模式选择开关。仅在停止位置方可进使用红外设 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。 ( 4 ) 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。另外红外设定器操作上应安装l e d 指示灯， 接收到信号时发生闪烁。线路板上应装有红外接收器。 ( 5 ) 模拟量控制时，1 v ( 4 m a ) 对应阀门开度o ( 全关) ，5 v ( 2 0 m a ) 对应开度1 0 0 ( 全开) 。 ( 6 ) 设计时要有限位开关和力矩开关来进行限幅设定。用力矩上下限幅用于打开较紧阀门， 可任意选择限位进行上下限幅。过限幅时切断电机电源。 ( 7 ) 电控部分应具有自诊断功能，出现故障应显示故障告警信号，要有在菜单中进行预设定 值设定功能和默认设置功能。 ( 8 ) 避免因信号的细微的变化而造成电机的频繁动作。 ( 9 ) 在开度o 或1 0 0 时，两个位置时可通过红外设定器设定，位置的检测通过与机械连动 的磁铁感应与霍尔元器件来实现。 ( 1 0 ) 信号的输入和输出电隔离，输出驱动能力6 5 0 欧姆，输入电阻小于( 等于) 2 0 5 欧姆。 ( 1 1 ) 线路板要有4 组继电器输出并留有4 继电器扩展功能可进行开关量设置的于接点输出。 触点形式可选常开或常闭。 ( 1 2 ) 模拟输出智能校正功能，当输出有误差时，能自动修正。 ( 1 3 ) 各个线路板之间相互独立，模块化连接。 ( 1 4 ) 要有e s d 安全设置和保护功能。 6 第2 章智能型电动执行机构的总体方案设计 ( 1 5 ) 要具有较强干扰能力( 例：电磁干扰，噪声干扰，温度影响) 。 2 2 智能型电动执行机构硬件总体方案设计 智能电动执行器是当今乃至将来发展的主流。为了适应新形势需要，设计一种新式智能 型电动执行机构，要求其使用性能稳定可靠，整个电路部分要求紧凑合理，其内部各部分 之间相互独立又互有接口连接，全部模块，要具有方便维修和以后扩展功能。智能型电动 执行机构的优点如下： ( 1 ) 丰富的信息显示及人性化的人机对话界面 传统的电动执行机构一般不具备太多的信息提示，所以在现场很难知道电动阀门的运行 情况，特别是当出现故障时不容易诊断并排除故障。智能型电动执行机构解决了这个问题， 他将电动执行机构的运行进行检测并将信息通过液晶显示屏显示，这样就减少了很多人为 诊断过程，并能及时排除故障恢复生产。特别值得一提的是很多产品往往是代码或英文， 不便于现场工作理解操作，真正的人性化人机对话界面应该是全中文字显示。 ( 2 ) 灵活的多组信号输出 电动执行机构信号输出的多少是执行器对其自身及阀门运行状态监视程度高低的体现 之一。传统电动执行器一般是以机械微动开关触点输出，输出点数有限，且以固定形式及 固定的信息定义输出，在选型如没明确要求，产品一但出厂很难再做更改，这样不便于使 用的灵活性，也不能适应强大的系统控制要求。智能电动执行器必需能有更多的信号输出 点数，且对应信息定义可灵活组合。 ( 3 ) 解决相序问题 三相电机存在着相序问题，当三相电源相序错误，控制开阀、关阀时与阀门的实际转向 相反，失控将造成电动执行机构、阀门严重损坏。所以初次安装调试时必需手动进行相序 纠错，否则损坏将不可避免，但往往现场接线与调试是不同人员，常常发生没有相序纠错 而使设备损坏的现像。而智能电动执行器可以不必考虑相序问题，内部电路检测接入交流 电源的相序，通过逻辑运算实现自动纠错，不管怎么接都能按正确的转向工作。 ( 4 ) 超强自诊断功能 电动执行机构不管运行与否，一但被接通电源时就必需能自行诊断检测，当诊断出故障 时操作将被禁止，并通过液晶显示屏显示各故障报警信息，并将信号输出给控制系统，这 样对设备的安全、可靠不止增加了一层保险，也缩短排除故障的时间，使故障诊断实现智 能化，这是传统产品所不具备的功能。 ( 5 ) 可修改的参数设定 传统电动执行器一般出厂后参数是不可改的，智能型电动执行器彻底改变了这种局限 性，它通过内部程序实现设定，可随时进行参数的修改，不管是初装还是使用过程中都可 进行修改，使得设备发挥其强大的灵活性。 ( 6 ) 非侵入隔离密封 传统电动执行器现场操作按钮( 或旋钮) 一般采用贯通轴，所以密封性能较差，智能型电 7 东南大学硕士学位论文 动执行器一般采用非侵入式设计，操作按键与内部电路完全隔离，使得密封问题得到彻底 的解决。实现了免开盖设定、操作、查询。 2 2 1 硬件的总体结构 智能型电动执行机构包括主控部分，电源部分，反馈检测部分，通讯部分，输出输入部 分，面板显示和操作部分，相互独立又互有连接。 系统采用d s p 、红外遥控等技术主要完成对阀门开度的控制。系统采用直流无刷电机专用 集成芯片以确保电机在各种负载下平稳、安全的运行且不对阀门造成任何冲击。由于逆变器 中含有功率器件，因此需要对其进行温度检测，同时为了保证电机正常运行还需要对电机内 部温度进行检测。远程信号可以实现对阀门的远程控制，包括远程模拟量和远程开关量。通 过设置不同的远程模拟量信号大小，实现不同的对应开度。远程开关量控制阀门的全开与全 关。 系统具有遥控器控制和液晶显示功能，以实现各种参数的设置，且具有良好的人机界面。 此外，系统具有串行总线扩展，可以方便实现组网操作。 图2 1 系统总体框图 8 第2 章智能型电动执行机构的总体方案设计 为了使系统结构更加紧凑、合理，系统采用模块化设计。根据设计要求，系统结构总体 框图如图2 1 所示，系统包括：主控制模块、电源模块、直流无刷电机驱动模块、力矩检测模 块、开度检测模块、远程控制模块、液晶显示模块、红外遥控模块、现场总线模块。 同样，软件设计也采用模块化，使得这几个模块相对独立，为系统的调试提供方便。 2 2 2 主控模块 主控模块是系统的核心部分，负责整个系统的资源分配，其它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直流无刷电机的驱动，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，能够完成远程 模拟量的模数转换。而电机的d s p 控制系统有如下特剧2 2 】： ( 1 ) 采用哈佛结构或改进的哈佛结构，使数据与程序相互独立的总线结构提高了计算能力； 具有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此可以实现复杂的控制规律，如参数 辨识、优化控制、智能控制等现代控制理论和算法的应用。 ( 2 ) 简化电机控制器的硬件设计，体积小，重量轻，能耗低也是d s p 芯片的优点。 ( 3 ) 系统可靠性高。由于芯片设计保证内部元器件在额定工作状态下平均无故障时间远远超 过分立元件构成的模拟电路。 ( 4 ) 数字电路不存在温漂问题，不存在参数变化的影响。被控量可以很大也可以很小，内部 计算精确度都很高，但由于字长受硬件限制而存在量化误差因此，采用适当的定标可以 避免数据溢出，并保证计算精度。 ( 5 ) 硬件的统一性与软件的灵活性有机结合，d s p 电机控制电路硬件可以统一，如d s p 控制三 相逆变器驱动相应的感应电机、直流无刷电机、永磁同步电机，其硬件结构基本统一， 但软件可以根据具体电机的控制规律进行设计和编写，而且可以根据电机不同的工作状 况，选择最有利的参数、控制系统结构、控制策略等，使系统具有很强的灵活性。 ( 6 ) 可以实现复杂的数字控制计算，除了指令、信号反馈、加减乘除和逻辑运算外，还可以 实现诸如状态监测、数字滤波、监控、报警、故障诊断和保护等功能。 t m s 3 2 0 c 2 8 x 是当今世界上最先进的3 2 位定点d s p 芯片【2 3 1 。t m s 3 2 0 c 2 8 x 系y i j d s p 控制器 具有完美的性能并综合最佳的外设接口，它集成了闪存f l a s h 、高速a d 转换器、高性能的c a n 模块等，具有较高的性价比，设计工程师通过利用它可以降低开发难度，缩短产品开发时间， 有效地降低开发成本【2 4 】。 目前，t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列主流器件为1 5 0 m i p s 的d s p ，包括基于闪存和基于r o m 两种， 如t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 器件，是当前集成度最高、性能最强的运动控f l ；i j d s p 芯片【2 引。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是d s p 2 0 0 0 系列性能最让人关注的两款芯片， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 已停产，现用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 替换，现将两款芯片的异同来作一比较， 如表2 1 。两者都是对于电机控制开发使用，由此，在外设上的配备上有较多的相似之处， 内核相同，方便程序移植【2 6 。 o 东南人学硕上学位论文 综上所述，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 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 7 】【2 8 】【2 9 】。本系统采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为系统的主控芯片。 表2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 与t m s 3 2 0 f 2 812 比较 2 2 。3 直流无刷电机驱动模块 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的 性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能， 则电枢磁场与转子磁场须恒维持9 0 0 ，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时 会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷 及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制 技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。直 流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构 上缺失的一种应用。 由于直流无刷电机既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又 具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，其应用范围同益官方， 已从最初的航空、国防等应用领域扩展到工业和民用领域。 直流无刷电机三相全控桥两两导通原理如图2 2 所示。两两导通方式是指每一瞬间有两个 功率管导通，每个1 6 周期( 6 0 0 电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，每一个功率管导通 1 2 0 。电角度。各功率管的导通顺序是q 1 q 6 、q 6 q 3 、q 3 q 2 、q 2 q 5 、q 5 q 4 、q 4 q 1 。但绝不能 导通q 1 q 2 、q 3 q 4 、q 5 q 6 。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与 1 0 笙! 翌笪丝型生垫垫堑! ! 塑堕璺竺垄塞堡生 开的交错时间要将零件的响应时问考虑进去，否则当上臂( q l 、q 3 、q 5 ) 下臂( q 2 、q 4 、q 6 ) 尚未完全关闭，下臂( q 2 、q 4 、q 6 ) 上臂( q 1 、q 3 、q 5 ) 就已开启，结果就造成上、下臂短 路而使功率晶体管烧毁。 当功率管q 1 q 6 导通时，电流从q 1 管流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经q 6 管回到电源。 设1 a 、厶、c 为三相绕组产生的力矩矢量，当电流从a 相流入c 相流出时，它们合成的转矩如 图2 3 a 所示，其大小为4 3 t ，方向在l ：和= f ：的角平分线上。当电动机转过6 0 。度之后，i 扫q 1 q 6 通电换成q 3 q 6 通电。这时，电流从q 3 流入b 相绕组再从c 相绕组流出，经q 6 管回到电源，此 广- 时合成转矩如图2 3 b 所示，其大小同样为q 3 t 。但合成转矩t 的方向转过- j 6 0 。电角度。而后 厂 每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过6 0 。电角度，但大小始终保持q 3 t 不变 【3 0 】【3 l 】。图2 3 c 示出了全部合成转矩的方向。 图2 - 2y 型连接绕组三相全控桥式电路 父k 铁 ( b ) 图2 3y 型绕组两两通电时的合成转矩矢量图 同样一台直流无刷电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星型 连接全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了3 倍；每隔6 0 。换相一次，每个功 率管通电1 2 0 。，每个绕组通电2 4 0 。，其中正向通电和反向通电各1 2 0 。 直流无刷电机驱动器包括电源部及控制部如图2 2 所示：电源部提供三相电源给电机，控 制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入( 一般为2 4 v ) 或以交流电输入( 11 0 v 2 2 0v ) ，如果输入是交 流电就得先经整流器转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直 流电压由逆变器转成3 相电压来驱动电机。逆变器一般由6 个功率晶体管( q 1 - 一q 6 ) 分为上臂 l l 东南大学硕士学位论文 ( q l 、q 3 、q 5 ) 下臂( q 2 、q 4 、q 6 ) 连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供 p w m ( 脉冲宽度调制) 决定功率晶体管开关频度及逆变器换相的时机。直流无刷电机一般希望使 用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能 感应磁场的霍尔传感器，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。 对于无刷直流电动机的驱动器，当前主要有专用集成电路( a s i c ) 控制器、微处理器( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 三种。 专用集成电路( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，当今几乎所有先进半导体厂商 都进行设计和生产，如a l l e g r o 的a 3 9 3 2 3 9 3 6 、m o t o r o l a 的m c 3 3 0 3 5 、m i c r ol i n e a r 的 m l 4 4 2 5 4 4 2 6 、t i 的u c l 2 3 6 2 5 等。专用集成电路具有集成度高、使用方便等特点，因此得 到了广泛的应用。本文选用a l l e g r o 公司生产的a 3 9 3 6 直流无刷电机专用集成芯片作为电机的 驱动芯片。 2 2 4 力矩检测模块 为确保电机正常运行，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。 直流无刷电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反向电动势和转速等。这些物理量 的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系【3 2 】。定子绕组中的反向电动 势与气隙磁通密度和转子转速成正比，可以表示为 e = e ( 2 1 ) 式中e 为与绕组匝数、极对数等有关的系数；m 为气隙磁感应强度对应的每极磁通；为 电动机的转速。 由于气隙磁通密度呈梯形分布，所以在任何瞬间，通电的两相绕组的电流与气隙磁通的 平顶部分相互作用，产生恒定的电磁转矩。可以利用从电能到机械能的转换关系来计算电 磁转矩，即 p = z = 2 e ( 2 2 ) 式中z 为电磁转矩；，为定子绕组电流的幅值。 根据式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 得到电磁转矩的表达式为 z = 2 c 。0 1 = q ， ( 2 3 ) 式中g 为转矩常数。 因此，电流，真实的反应了力矩的大小【3 3 】。 为了采集相电流，需要通过适当的电流感应技术把电流转换成电压，才能通过a d 转换 得到电流的大小。目前有三种电流感应技术最为常用，分别是小电阻电流旁路，电流互感 器和霍尔效应传感器。电流互感器( c t ) 是一种将初级电流转换成次级小电流的变压器，它 1 2 笙! 童塑丝型堕垄垫堑! ! 塑塑璺堡互茎垡生 是目前大电流电子电能表中使用得最多的感应器。电流互感器可以测量非常大的电流，消 耗的功率却很少，但由于是磁化电流，它一般相应会有一个很小的相移( 0 1 0 0 3 0 ) ，如果 没有校正，低功率因数下会产生相当大的误差。此外，铁芯使用的铁氧体材料在大电流下 会饱和，而且磁化后铁芯还会产生磁滞现象，除非重新去磁，否则精度就会下降。霍尔效 应传感器有两