（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的智能电动执行器控制系统研究.pdf

摘要 摘要 电动执行器是现代工业自动化过程控制中的重要设备，接收来自调节器的标 准控制信号( 数字量或模拟量信号) 转换成相应的角位移或者直线位移输出，带 动阀门等动作，以达到自动调节被调对象的目的。 本文在认真分析研究国内外电动执行机构的研究现状的基础上，将三闭环控 制策略应用于阀门位置控制，应用微控制器技术、变频调速技术、智能通信等先 进技术，研制出集驱动单元、控制单元、智能通信、在线数字化显示以及执行机 构于一体的智能电动执行器。 本文研制的智能电动执行器硬件结构由主功率电路、控制电路、人机接口电 路三大模块组成。主功率电路包括三相整流电路、开关电源、智能功率模块i p m 三部分。控制电路包括d s p 微控制器的最小系统、电流检测与过流保护电路、 逆变模块输出的故障信号检测电路、位置设定信号检测电路、转子位置检测电路、 人机接口电路包括键盘及显示电路、红外遥控发射与接收电路。 系统软件在c c s 3 3 开发环境下开发，使用c 语言进行模块化编程，具有很 强可靠性、可复用性和可移植性。系统软件主要由电机控制程序、电动执行器工 作模式控制程序和人机接口程序等组成。 本文研制的智能电动执行器解决了阀门的柔性开启与柔性关闭、阀门位置精 确控制等关键问题。具有响应速度快、定位精准且没有超调现象；具有力矩和行 程保护；具备丰富的在线显示与非接触式操作等特点。实验效果理想，阀门位置 误差控制在0 5 以内，响应速度为m s 级，具有很强的使用价值和广阔的应用 前景。 关键字：智能电动执行器d s b 柔性开启与柔性关闭在线显示非接触式操作 a b s t r a c t _ ，- 一 a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti np r o c e s sc o n t r o lo f m o d e mi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，w h i c hr e c e i v e st h es t a n d a r dc o n t r o ls i g n a l ( d i g i t a l s i g n a lo ra n a l o gs i g n a l ) f r o mt h er e g u l a t o ra n dc h a n g ei ti n t ot h ea n g u l a r d i s p l a c e m e n t o rl i n e a rd i s p l a c e m e n to u t p u tc o r r e s p o n d i n g l y f i n a l l y t h ev a l v ew i l lb e d r i v e n m o v e m e n t sb yt h eb l d c ，w h i c hm a k e st h eo b j e c ta d j u s t m e n ta u t o m a t i c a l l y i nt h i sp a p e r , t h es t a t u so fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lo fe l e c t r i ca c t u a t o ri s a n a l y z e dc a r e f u l l y t h et h r e ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g i e s i sa p p l i e dt ot h ev a l v e p o s i t i o nc o n t r 0 1 f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n c ec o m m u n i c a t i o na n d o t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa r ea l s oa p p l i e di nt h es y s t e m a tl a s tt h ei n t e l l i g e n t e l e c t r i ca c t u a t o ri sd e v e l o p e dw i t hd r i v eu n i t ，c o n t r o lu n i t ，i n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o n ， o n l i n ed i g i t a ld i s p l a ya n dt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e s t h ei n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rd e v e l o p e di n t h i sp a p e ri n c l u d e sm a i np o w e r c i r c u i tm o d u l e ，c o n t r o lc i r c u i tm o d u l ea n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i tm o d u l e t h e m a i np o w e rc i r c u i tm o d u l ec o n s i s t so ft h r e e - p h a s er e c t i f i c a t i o nc i r c u i t ，s w i t c h i n g p o w e rs u p p l ya n di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l ei p m c o n t r o lc i r c u i tc o n s i s t s o ft h e m i n i m u ms y s t e mo fd s pm i c r o c o n t r o l l e r , c u r r e n td e t e c t i o n a n do v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h er o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i t c o n s i s t so ft h ek e y b o a r da n dd i s p l a yc i r c u i t ，r e m o t ei n f r a r e dc o n t r o lt r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e rc i r c u i t s t h es y s t e ms o f t w a r ea p p l i e sm o d u l a rp r o g r a m m i n gu s i n gcl a n g u a g ew h i c hi s d e v e l o p e di nc c s 3 3e n v i r o n m e n tw i t hs t r o n gr e l i a b i l i t y , r e u s a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y t h es y s t e ms o f t w a r em a i n l y i c o n s i s t so ft h es o f t w a r ep r o g r a mo ft h em o t o rc o n t r o l ， t h em o d ec o n t r o lp r o g r a mo ft h ee l e c t r i ca c t u a t o r ，t h ep r o g r a mo fm a n - m a c h i n e i n t e r f a c ea n do t h e rc o m p o n e n t s t h ei n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rd e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a sf a s tr e s p o n s e ，p r e c i s e p o s i t i o n i n ga n dn oo v e r s h o o t t o r q u ea n dt r a v e lp r o t e c t i o n ，aw e a l t ho f o n l i n ed i s p l a y a n dn o n c o n t a c to p e r a t i o na r e r e a l i z e di nt h es y s t e ms i m u l t a n e o u s l y t h es o f t o p e n i n g ，s o f tc l o s i n g ，p r e c i s ec o n t r o lo f v a l v ep o s i t i o na n do t h e rk e yi s s u e sa r es o l v e d t o o t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tp o s i t i o ne r r o ro ft h ev a l v eb ec o n t r o l l e dl e s s t h a n 0 5 ，m s 1 e v e lr e s p o n s er a t ea n dh a ss t r o n gv a l u ea n db r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i i i a b s t r a c t k e y w o r d ：i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r s ，d s p , s o f to p e n i n ga n ds o f tc l o s i n g ，o n l i n e d i s p l a ya n dn o n c o n t a c to p e r a t i o n i v 附录 图表目录 图卜1r o t o r ki q m 频繁调节智能电动执行器3 图1 - 2a c c u t r o n i xm x 直行程电动执行器3 图卜3a u m a 智能电动执行器4 图2 1 电动执行器机械结构图9 图2 2 电动执行器控制系统结构图1 0 图2 3 系统控制策略1 1 图2 4 无刷直流电机外观图1 2 图2 5b l d c m 结构原理图与横截面图1 3 图2 - 6 三相全桥连接框图1 4 图2 7 定子三相绕组通电顺序1 4 图2 8 星形两两通电方式合成转矩15 图2 - 9 无刷直流电机a 相反电动势波形图1 5 图2 1 0 无刷直流电机等效电路1 6 图3 1 无刷直流电机相模型1 9 图3 2 启动过程电流波形2 2 图3 3 双闭环调速策略_ 2 2 图3 - 4 能耗制动电路2 4 图3 5 反电动势与相电流波形2 5 图3 6b c 相电流换相电流流向图2 6 图3 7 电机角速度与角加速度曲线2 7 图4 1 三相整流电路3 3 图4 2s k b p c i 5 1 6 内部电路3 4 图4 3 滤波电路3 4 图4 4 无刷直流电机驱动电路一3 6 图4 5 死区产生波形4 0 图4 6 霍尔传感器输出信号检测电路4 l 图4 7 电流检测电路4 2 图4 8l o c l l 0 内部结构4 2 图4 - 9 阀位反馈电路4 3 图4 10 相电流过流保护电路4 4 附录 图4 1 1 直流母线电压异常检测电路4 5 图4 一1 2 热保护信号处理电路4 5 图4 1 3 故障输出信号处理电路4 6 图4 1 4 驱动电路与部分控制电路实物图4 6 图4 1 5 阀位设定信号检测与反馈电路实物图4 6 图4 1 6 液晶显示电路4 7 图4 1 7 红外遥控原理框图4 8 图4 1 8 红外遥控发射电路4 8 图4 1 9 键盘按键处理电路4 9 图4 2 0 键盘与d s p 的连接电路5 0 图4 2 1 控制面板电路实物图5 0 图4 2 2 红外遥控器实物图5 0 图5 1c c s 软件开发流程5 3 图5 2 系统软件的总体结构图5 5 图5 3 系统主程序流程图5 5 图5 - 4 系统初始化流程5 6 图5 5d s p 向液晶模块写数据时序5 8 图5 6d s p 从液晶模块读数据时序。5 8 图5 7 就地模式程序流程图5 9 图5 8 远程模式程序流程图6 0 图5 - 9 阀门开程序流程图6 l 图5 1 0 紧急处理程序流程图6 2 图5 ，1 1 模拟量调节程序流程图6 3 图5 1 2 捕捉巾断程序6 4 图5 1 3 速度p i 调节程序流程图6 5 图5 1 4a d 中断程序流程图6 6 图5 15 电机制动程序流程图6 7 图6 1 输入电流与输出电压关系曲线7 2 图6 2 顺时针霍尔传感器输出波形7 2 图6 3 逆时针霍尔传感器输出波形7 2 图6 - 4 电机顺时针旋转编码器输出波形7 3 图6 5 电机逆时针旋转编码器输出波形7 3 x 附录 图6 - 6 长行程下阀门行程与时间的曲线7 4 图6 7 长行程下电机转速与时间的曲线7 5 图6 8 短行程下阀门行程与时间的曲线7 5 图6 - 9 短行程下电机转速与时间的曲线7 6 图6 1 0 红外发射头发出的信号波形7 7 图6 1 1 一体化接收头的输出信号波形7 7 x i 附录 表格目录 表3 - 1 电机正向换向表：2 1 表3 - 2 电机逆向换相表2 1 表6 - 1 电流检测电路输入电流与输出电压7 l 表6 - 2 长行程下阀门行程和电机转速值7 4 表6 - 3 短行程下阀门行程和电机转速值7 5 表6 - 4 阀门位置测试数据7 6 x i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：盈：! 重量 z 一， 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密(年) 作者签名：耄：鳖尧 签字日期：迎坦：i 翩签名：业驽。 签字日期：蜊壁：笪：3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自l i m i t o r q u e 公司于1 9 2 9 年制造出世界上第一台电动执行机构以来， 电动执行器已经成为工业过程控制系统中不可替代的现场驱动装置，在电力、石 油、化工等领域有着越来越广泛的应用。电动执行器是以电能为动力，接收来自 调节器的标准控制信号( 数字量或模拟量) 并将其转换成相应的角位移或者直线 位移输出，带动阀门挡板等动作，以达到调节被调参数的目的。在现代工业过程 控制中，电动执行器的精度和可靠性直接影响整个d c s 系统的精度、可靠性及 安全性，因此，电动执行器在现代化工业中起到十分重要的作用。生产的自动化、 智能化已经成为现代先进工业的重要标志。随着微电子、计算机、机电一体化等 技术的迅猛发展，2 0 世纪9 0 年代以来，国外已研制出采用微控制器控制的新型 智能电动执行器，智能化已经成为电动执行器的发展趋势。 智能电动执行器的研究现状 1 2 1 国内电动执行器的研究现状 我国电动执行器的研究工作起步较晚，从最初仿制苏联的有触点式电动执行 器到自行研制生产无触点式d k j 型角行程和d k z 直行程两大系列电动执行器产 品。随着电子技术、计算机和机电一体化等相关技术的迅速发展，我国仪器仪表 技术得到大幅度提升。目前，我国已经能够研制生产出直接受计算机控制的电子 型、户外型及防爆型等改进型的电动执行器，同时还将控制电路封装在小型塑料 盒中，形成了便于维护的即插即用型。可见，普通的d k j 型和d k z 型两种类型 的电动执行器的精度、可靠性及负载能力等性能都得到很大的提升。目前，我国 做的比较好的电动执行器有上海光辉自动化阀门有限公司生产的v q m 系列的电 动执行器，其位置控制误差达到4 - l ，重复性误差小于等于1 ：上海工业自动 化仪器仪表研究所研制的r k - z 系列智能电动执行器采用全封闭，一体化结构和 螺杆螺母式传动系统，具有承载能力强、传动平稳且传动精度高等优点。但是目 前国内较为先进的智能电动执行器大多引进国外的关键技术生产制造的。比如天 津龙城自动化仪表有限公司生产的s h 系列智能型电动执行器采用法国的新一代 第一章绪论 先进技术；鞍山阀门厂采用的是日本关键技术，生产的电动执行器具有：基本误 差1 ，回差1 ，死区o 8 1 o 可接收调节器的标准控制信号( 4 2 0 m a 电流 信号) 等特点。 由以上分析可见，我国自主研发的电动执行器仍然存在控制方式落后，可靠 性低，无法根据工业生产的实际要求进行参数调整，没有力矩和行程保护，使得 阀门或生产设备容易受损，从而降低了其使用寿命。较为先进的执行器依然采用 国外的关键技术，或着在引进技术的基础上进行一定程度的变动，从而形成自己 的产品，但是改进和创新力度依然不够，以至于没有较大突破。随着工业自动化 智能化的发展，市场对工业过程控制的终端提出更高的要求。因而，研制出适合 我国现代化工业发展需要的新型智能电动执行器已经迫在眉睫。 1 2 2 国外电动执行器的研究现状与发展趋势 与国内相比，国外的微电子、计算机、机电一体化以及总线等技术水平远远 领先于国内，电动执行器的技术术水平也一直领先于国内。自2 0 世纪8 0 年代以 来，国外相继推出了符合各种工业现场总线的智能电动执行器，在实际应用中也 取得了很好的使用效果。随着近年来，电子计算机、微控制器技术在电动执行器 研究中的应用，国外的一些著名公司已经研制出了新型的智能化电动执行器。这 些电动执行器结构简单、性能稳定可靠且功能强大，如英国的r o t o r k 公司、 德国h a r t m a n n & b r a u m 公司和s i m e n s 公司、美国的j o r d a n 公司和 l i m i t o r q u e 公司。r o t o r k 公司生产的i q 系列智能电动执行器具有以下特 点：支持多种工业现场总线；具有便利的参数遥控设定功能；具有丰富的在线显 示功能；具有完善的故障自诊断及保护功能；应用计算机技术把先进的自动跟随 控制技术设定为一项标准功能，具有很高的响应品质；防水防爆；调试及故障排 除简单。j o r d a n 公司的智能电动执行器的突出优势在于其动作频率高 ( 2 0 0 0 h - 4 0 0 0 h ) 。目前国际上先进的电动执行器正向着总线化、网络化，数字 化、智能化和小型化、机电一体化方向发展。图1 1 、图1 2 和图1 3 分别是 r o t o r k 公司研制的i q m 频繁调节智能电动执行器、l i m i t o r q u e 公司研制 的a c c u t r o n i xm x 直行程电动执行器和德国a u m a 公司研制的先进的智能电动 执行器。 2 第一章绪论 注：i q m 自动回复功能 图1 _ 2a e c u t r o n i xm x 直行程电动执行嚣 故障智能诊断 维护。 注：a c c u o n i x m x 直行程电动执行器兼顾可靠性与高性能，提供蝌门光学位置检铡精 度达1 5 位数。 第一章绪论 7 二：。i 目1 i ! # # 图卜3a u m a 智能电动执行器 注：德国a u l v i a 是世界第二大电动执行器生产商。动作频率高，启动速度快，精度o5 到25 可调，完善的故障显示和保护。 综台目前国外各种先进的智能电动执行器，可以得出以下共同特点： ( 1 ) 采用机电一体化结构。新型智能电动执行器将伺服控制器与执行机构融 合为一体，驱动电路采用功能强大的集成模块，其结构简单，控制性能优越且使 用方便。 ( 2 ) 应用智能控制技术。价格较低和新型的高速微处理器替代纯模拟器件构 成的电动执行器控制单元实现数字化控制系统。原有的硬件控制被软件控制所 代替，从而可以在电动执行器研究中应用现代控制理论的先进控制算法，如：p i d 控制、最优控制、模糊控$ 4 等。 ( 3 ) 具有故障自诊断功能。电动执行器内部的微控制器连续监视执行器状态， 一旦检测到故障实时的发出报警并显示相应的故障信息。 ( 4 ) 具有较强的现场适应性。能够根据工业生产的实际要求进彳亍参数调整。 执行器内部信号与外部信号采用光电隔离技术，提高了系统的安全性和可靠性， 且整机设计具备较高的防爆等级。 13 本课题研究的背景与意义 从以上对比分析国内外电动执行器现状可以看出与国际上先进的智能电动 执行器相比，我国自主研发生产的电动执行器仍然存在以下方面的不足： 产品规格品种单一，不能满足较复杂工业现场的要求。 没有力矩保护和行程开关等相关保护措施，致使力矩一直施加在阀门或 生产设备七，使阀门或生产设备容易受损。 第一章绪论 控制方式落后，可靠性低，尽管进行了定程度的改进，但是缺乏创新。 没有完善的保护措施和故障报警信号给调试和维修带来极大地不便。 缺乏必要的通信功能，使得操作很不方便。对国外的先进产品只是一味 的引进或者引进其关键技术，而不能做到真正的自主研发。 随着当前国内工业自动化水平的日益提高，迫切需求一种新型的智能电动执 行器来提高自动化水平和生产效率。因而研制适合我国国情，性能优越，功能完 善，符合我国使用标准和人们使用习惯的智能电动执行器，以满足国内市场需求， 有着极其重要的现实意义。本课题在充分分析研究国内外智能电动执行器的基础 上，详细分析现有产品的优缺点，并结合国内用户的需求，将微控制器技术、无 刷直流电机变频调速技术、智能通信、智能控制等先进的技术应用于电动执行器 中，研制出集驱动单元、控制单元、数字化显示、智能通信和执行机构与一体的 智能电动执行器。本论文主要解决了阀门的柔性开启与柔性关闭、阀门位置精确 控制、力矩和行程保护、丰富的在线显示与非接触式操作以及与调节系统信号隔 离等关键问题。 1 4 本课题研究的内容 1 控制系统整体方案设计 制定智能电动执行器控制系统的总体设计方案。本文设计的智能电动执行器 集驱动模块、控制模块、数字化显示、智能通信和执行机构与一体。采用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器、变频技术和红外遥控技术实现对阀门速度调节、位置 精确控制及非接触式操作。 2 控制策略的研究 在传统的控制系统设计的基础上，将三闭环控制策略应用于阀门位置控制， 采用最小二乘法进行曲线拟合以减小误差。速度调节以速度p i 控制环为外环和 相电流积分分离p i d 控制环为内环，快速调节阀门速度。阀门位置采用了经典的 位置p i d 控制，算法简单实用。 3 系统硬件电路与调试 系统硬件电路主要由主功率电路、控制电路、人机接口电路三大模块组成。 主功率电路包括三相整流电路、开关电源、智能i p m 逆变模块三部分。控制电 路包括t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器最小系统、电流检测与过流保护、功率逆变模块、 故障信号检测电路、阀位设定信号检测电路、转子位置检测电路。人机接口电路 包括键盘及显示电路、红外遥控发射接收电路。 4 系统软件的设计与调试 5 第一章绪论 软件设计在c c s 3 3 开发环境下，使用c 语言进行模块化编程。控制系统软 件由电动执行器工作模式程序、无刷直流电机控制程序和人机接口程序三大部分 组成。 1 5 论文内容安排 本文分为以下几个部分： 第一章绪论，分析了国内外电动执行器的研究现状。概述本文的选题背景， 研究意义及需要解决的关键性问题。 第二章电动执行器控制系统总体方案设计。简要说明电动执行器的结构和 工作原理，分析了无刷直流电机的工作原理和数学模型，设计了智能电动执行器 的总体方案。 第三章控制算法的研究。详细论证了阀门速度双闭环调节和位置闭环控制 的控制策略 第四章系统硬件电路设计。简要介绍了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器，详细介绍 了系统各硬件模块电路设计，并给出相关电路原理图和实物图。 第五章系统软件设计。详细介绍了各模块的软件设计过程，并给出详细的 程序流程图。 第六章实验与分析。给出实验过程中记录的一些重要数据和波形，并对实 验结果进行进一步分析。 第七章总结与展望。对全文做出总结，对以后的工作进行展望。 6 第二章电动执行器控制系统总体方案设计 2 1 引言 第二章电动执行器控制系统总体方案设计 控制系统是智能电动执行器系统的核心，起决定性作用。本章首先介绍了智 能电动执行器控制系统的技术指标和功能分析，在此基础上重点介绍电动执行器 控制系统总体设计方案，伺服电机的选型，无刷直流电机的组成结构、工作原理 及其数学模型。 2 2 电动执行器控制系统功能分析 系统要求设计的控制系统具有以下特点： 具有参数设置、就地模式、远程模式三种工作模式。 接收开关量( 面板或者外部调节器) 完成电机的正转、反转、停止控制。 接收来自调节器的模拟量信号( 4 2 0 m a 电流信号或1 5 v 电压信号) ， 控制阀门准确定位。 对阀门位置实时监测，通过4 - 2 0 m a 电流信号或1 - 5 v 的电压信号实时反 馈给调节器。 在电机调速范围内，实现对电机快速启动，无级平滑速度调速。 具有丰富的在线显示和报警功能。显示系统当前状态和相关参数。当系 统出现故障时，能及时发出报警同时显示故障信息，给系统的维护提供了极大的 方便。 红外遥控进行参数设置和现场非接触式操作，使得系统能够在较恶劣的 环境下工作。 内部提供3 6 v 电池，使其在没有外部电源的情况下，实时监测在线立示 手动模式下阀门位置。 具有较强的抗干扰能力，能够克服电磁干扰，温度影响和噪声干扰。 根据以上系统设计的技术指标和性能要求，我们研制的电动执行器控制系统 允许用户通过操作面板上的三位选择开关使电动执行器工作在参数设置模式、就 地模式、远程模式三种工作模式。其中，就地模式和远程模式是操作模式，参数 设置模式用于用户设定电动执行器工作参数。 在参数设置模式下，用户通过操作面板或者遥控器对控制系统的相关参数进 行设定。用户设定的参数主要包括：基本参数、i o 参数、控制方式参数、终端 7 第二章电动执行器控制系统总体方案设计 参数。基本参数是阀门在任何操作模式下都需要读取的参数，包括：阀门限位方 式、紧急情况的处理方式、阀门运行速度、紧急情况下运行速度、过热情况下运 行速度、开关行程点等。i o 参数设定了设定值零点、设定值斜率、反馈值零点、 反馈值斜率等参数。控制方式参数主要设置在就地模式或者远程模式下用户对阀 门的控制方式。就地模式可设置的控制方式：脉冲式和维持式。远程模式可设置 的控制方式：脉冲式、维持式和模拟量调节等。终端参数设置是为了校准阀门最 大最小位置并存储最大阀位和最小阀位对应的脉冲数值。 在就地模式下，用户从面板上进行操作。就地模式包括脉冲式和维持式两种 控制方式。脉冲式控制方式下，系统接收面板的操作指令o p e n 或c l o s e 触发 信号后，启动电机正转( 反转) ，并根据用户设置的速度参数调节电机转速，当 接收到s t o p 指令或阀门运动到开( 关) 行程点时，立即对电机制动将阀门停在 当前位置。维持式控制方式下，c p u 接收面板的操作指令o p e n 或c l o s e 持续 电平信号即按下后不松开，启动电机正转( 反转) ，当按键指令取消或阀门运动 到开( 关) 行程点时，立即对电机制动将阀门停在当前位置。 在远程模式下，面板的按键操作和遥控器操作无效，只能通过外部调节器对 阀门进行操作。远程模式的脉冲式和维持式控制方式和就地模式情况相似，系统 接收调节器的数字信号控制电机正转、反转、停转使阀门停在用户需要的位置。 模拟量调节控制方式下，控制系统接收来自调节器的模拟量信号( 4 2 0 m a 电流 信号或1 5 v 电压信号) ，根据用户设定的速度、零点值、斜率、开死区等参数控 制阀门以用户设定的速度按照设计的控制策略运动到设定的位置。 为了适应比较恶劣的现场环境或者避免对面板直接操作，设计了红外遥控装 置。在参数设置或就地模式下，遥控器可以取代面板对执行器进行操作。为了避 免多台执行器相互干扰，我们在遥控装置中设计了独特的取址操作。使用遥控器 操作执行器时，首先要获取每台执行器编号，然后才能对与获取的编号相对应的 执行器进行操作。 2 3 控制方案总体设计 2 3 1 电动执行器机械结构 电动执行器机械结构图如图2 - 1 所示。图中1 为电机机壳；2 为蜗杆；3 为 与阀体的连接机构；4 为面板；5 为蜗轮；6 为手轮。有图可以看出电机与蜗杆 相连接，蜗轮和阀体相连接。电机通过蜗轮蜗杆传动机构带动阀体运动。本系统 中蜗轮蜗杆的减速比为6 0 ：1 。 8 第二章电动执 f 嚣控制系统总体方案设计 圈2 一l 电动执行器机械结构图 注：1 电机机壳2 蜗杆3 与闻体的连接机构4 面板5 蜗轮6 手轮 232 控制系统组成 如图2 - 2 是电动执行器控制系统结构圈，主要由t m $ 3 2 0 f 2 5 1 2 微控制器的 最小系统、主功率模块、人机接口、光电隔离电路、电流采样电路、伺服电机、 光电编码器、红外遥控装置等组成。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器最小系统是整个控 制系统的核心即c p u 。人机接口包括液晶显示、键盘、红外接收装置，为用户 在就地模式和参数设置模式下提供人机接口。主功率模块由三相整流电路、开关 电源和智能功率模块i p m 组成，智能功率模块i p m 受c p u 控制将三相整流电路 整流输出的直流信号逆变为交流信号供给电机。电流采样电路一方面采样来自调 节器的电流信号进行阀门位置设定，另一方面，实时采样电机相电流反馈到c p u 构成电流环。光电编码器直接与c p u 连接i l l ，正交编码电路对光电编码器输出 的脉冲进行计数，反馈阀门实际位置d 1 司服电机内部安装有三个霍尔位置传感器， d s p 的捕获i z l 通过捕获三个霍尔传感器输出的信号实时地反馈电机转子位置 信号，并计算电机转速。光电隔离电路将控制电路与功率模块隔离开，防止高压 串扰到低压烧坏器件。 釜灌蠢棼 磐 ：攘 第二章电动执行器控制系统总体方案设计 2 3 3 控制策略 图2 - 2 电动执行器控制系统结构图 阀门速度调节和位置控制是电动执行器控制系统的两个核心问题。速度调节 是为了实现速度的快速启动、平滑调速、稳定运行；位置控制的目标是能够使阀 门快速准确的停在用户设定的位置。从机械结构上，电机通过蜗轮蜗杆机构带动 阀门动作，因此可以通过调节电机转速达到调节阀门运动速度的目的。由于蜗轮 蜗杆传动机构换向时存在一定的间隙，假如根据电机转子的角位移计算阀门位置 必然引起较大的误差，并且随着时间的增加会产生很大的累积误差无法实现对阀 门位置进行精确控制。因此为了实现阀门快速准确的停位，必须对阀门位置进行 闭环控制。 一个优良的控制系统表现在具有很好的稳定性、较大的超调、尽可能小的静 态误差、很小的响应和调节时间1 2 j 。开环控制系统仅仅把控制量送给被控对象， 并不对被控对象进行检测，无法确定是否达到预期的控制目标，且稳定性差，不 能满足控制要求，因此我们需要对速度和位置进行闭环控制。在速度调节上，单 闭环调节能够使系统在稳定的状态下实现转速无静差。但是如果要对系统的动态 性能要求很高，比如要求系统快速启动、紧急停止、精确定位，仅仅运用速度闭 环式将无法达到要求，必须对转矩进行良好的控制。由于电机转矩与相电流成线 性关系，因此可以通过调节电机相电流来控制转矩，为此需要引入一个电流环以 1 0 第二章电动执行器控制系统总体方案设计 调节相电流变化。在速度调节中引入电流环不但能够减少转矩的脉动，还能够在 快速启动、紧急停止过程中防止电流过载，为系统提供保护作用 3 1 。除了调速， 控制系统需要解决另一个关键问题就是位置控制。由于速度过快引起电机过冲， 为了实现准确快速的将阀门停在用户设定的位置，我们引入了阀门位置闭环控 制。当阀门实际位置接近阀门位置设定值时，位置p i d 控制器的输出控制速度 给定值，对电机减速；当阀门实际位置达到位置设定值误差范围内时，立即对电 机制动。系统总体控制方案如图2 3 所示。 图2 - 3 系统控制策略 2 4 电机选型 实际应用中，阀门需要频繁的开启、关闭或者调节其开度，而且需要能够在 电力、石油、化工等各种复杂的工业现场使用。因此我们选用的电机必须能够经 得起频繁的启动和停止，需要较大的启动转矩和很好的效率，较好的动态特性和 平滑的速度转矩特性。目前在控制领域被广泛运用的电机包括直流电机( b r u s h e d d cm o t o r ) 5 1 、交流异步电机( a ci n d u c t i o nm o t o r ) 【8 】、无刷直流电机( b r u s h l e s s d cm o t 0 0 4 1 等。无刷直流电机是同步电机的一种，既具有交流异步电机运行可 靠、结构简单、易于维护等优点又具备直流电机运行效率高、无激励损耗等特点， 因而在各种驱动装置和伺服系统中得到广泛应用。 与直流电机相比，无刷直流电机采用基于霍尔传感器的电子换相替代直流电 机的机械式接触( 电刷) 换相。电子换向器取代机械接触换相器有以下优势【1 4 1 【4 0 1 ： ( 1 ) 消除了电刷与换相器产生的噪声、电气接触火花、电磁干扰。 ( 2 ) 减少了电刷的磨损增加了可靠性。 ( 3 ) 提高了电机的稳定性，极大的延长了使用寿命。 无刷直流电机的定子是电枢绕组且与机壳相连增大了散热面积，散热效果 好。其转子是稀土材料做成，无通电绕组，损耗和发热量都极小，效率很高。 1l 第二章电动执行器控制系统总体方案设计 与交流异步电机相比，无刷直流电机也具有很大的优势”3 1o a l o 速度转矩特 性上，在额定负载范围内，无刷直流电机可以平滑的运行在最大速度范围内的任 何速度；交流异步电机的速度转矩特性是非线性的，在低速时只能提供很小的转 矩。输出功率效率上，由于无刷直流电机的转子是永磁体，很小的尺寸就能达到 很大的输出功率；交流异步电机的定子和转子均有电枢绕组所以输出功率的效率 较低。动态特性上，无刷直流电机具有很小的转子惯量，因而具有很好的动态特 性；交流异步电机转子惯量较大，动态特性较差。启动电流上，无刷直流电机不 需要额外的启动电流；交流异步电机启动需要大约7 倍于其额定电流的启动电 流。 根据电机的反电动势的不同，无刷直流电机可分为：具有梯形反电动势的无 刷直流电机和具有正弦波形反电动势的无刷直流电机嘲。尽管后者的输出转矩比 前者更为平滑但是其成本也相对较贵。我们综合考虑各种类型电机的优缺点以 及电动执行器控制系统列电机的性能要求，选择具有梯形反电动势的无刷直流电 机作为控制系统的执行机构。选用的无刷直流电机的外观图如图2 - 4 所示。电机 的功率为7 0 0 w ，最大速度为2 0 0 0 r p m ，额定电流为24 a 。 25 无刷直流电机 图2 - 4 无刷直流电机外观图 251 无刷直流电机的组成 无刷直流电机除了由电机转子和定子组成的电机本体以外，还包括霍尔位置 传感器、电子开关线路等p “。无刷直流电机的定子绕组一般为一相、两相、三 相或多相，三相电机最普遍应用也最广泛，本系统中使用的就是三相电机。为了 在电机的气隙中建立足够的磁场，转子由永久磁钢按照一定的极对数( 2 p = 2 ，4 ) 组成【”，这是无刷直流电机与直流电机最根本的差异。如图2 - 5 所示，是一个三 相两极的无刷直流电机的结构原理图及横截面图。定子三相绕组直接与开关电子 第二章电动执行器控制系统总体方案设计 线路中相应的功率开关器件相连。 ；# 1 0 # 通 ，t 一 1 p 自， * m 1 ，- i 一 7 一一，* 圈2 - 5b l d c m 结构原理图与横截面图 电子开关线路用来控制屯机定予各项绕组的通电时间和通电顺序，是无别直 流电机的重要组成部分，主要由功率逻辑开关单元和霍尔位置传感器信号处理单 元组成。功率逻辑开关单元将电源的功率按照一定的逻辑关系分配给电机定子各 相绕组，因而能够产生持续转矩。霍尔位置传感器输出无刷直流电机转子位置信 号，控制系统可以根据电机转于位置信号控制电机定于各相绕组的导通顺序和导 通时间。 252 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机和直流电机晟根本的区别就在于，无刷直流电机转子由永久磁 钢组成，而直流电机的定子由永久磁钢组成。其作用都是在电机气隙中建立足够 的磁场。直流电机由于电刷的换向作用，使得在电机运行过程中两个磁场的方向 始终保持垂直以产生最大的转矩驱动电机持续运转。无刷直流电机必须结合电机 本体、电子开关线路、霍尔位置传感器才能驱动电机运转。为了让三相绕组产生 的磁场与运动的转子的永久磁钢产生持续单一方向的转矩驱动电机，不仅需要给 电机定子的三相绕组通直流电产生磁场还需要由控制电路、功率逻辑开关和霍 尔位置传感器组成的换向装置。当给电机定子的某一相绕组通电时，电机绕组上 将产生相电流，该电流与转子磁钢产生的磁场相互作用产生转矩驱动电机转子旋 转。安装在电机轴上的霍尔位置传感器将电机转子位置信号转换成电信号去控制 功率逻辑开关，