（电力电子与电力传动专业论文）电动执行机构用智能型变频器.pdf

硕士学位论文电动执行机构用智能型变频器 a b s t r a c t t h ew o r k i n gs t a t eo ft h ee l e c t r i ca c t u a t o rc o m b i n e dw i t ht h ea d v a n c e d c o n t r o l l i n gp r o g r a mo ff o r e i g np r e s e n te l e c t r i ca c t u a t o rp r o d u c t si sa n a l y s i s e di n d e t a i l s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fi n t e l l i g e n ti n v e r t e ro fe l e c t r i ca c t u a t o rb a s e d o ns p a c ev e c t o rc o n t r o l l i n gd e s i g n i n gs c h e m ei sp u tf o r w a r d t h ee x p e r i m e n t a l p r o t o t y p es y s t e mc o n t r o l l e db yt w oc p u so fd s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n dl i n gy a n g m i c r o c o n t r o l l e rs p m c 7 5i sd e s i g n e d e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ep r o t o t y p es y s t e m c a r lm e e tt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo u t p u tt o r q u ea n dv a l v es p e e do fi n t e l l i g e n te l e c t r i c a c t u a t o ri ss t u d i e d ，b a s e do nt h i s ，t h ei m p r o v e m e n to nt h ec o n t r o l l i n ga l g o r i t h mo f s v p w mi sp r o p o s e d t h es y s t e mp o w e rp l a t f o r mb a s e do ni n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e a n dp e r i p h e r a lc i r c u i t si n c l u d i n gd r i v ec i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u f f ，h a r d w a r ep r o t e c t i o n c i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u i ta n da u x a l a r yp o w e rs u p p l ys y s t e mi sd e s i g n e d t h es y s t e m s p r o t e c t i o nf u n c t i o nb e c o m e sm o r ep e r f e c ta n dt h er e s p o n d i n gt i m eo ft h ep r o t e c t c i r c u i ti sl e s st h a n1 淞a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sr e q u i r e m e n t ，t h em a i np r o g r a m ，t h e c a l c u l a t i o na n dc o n t r o l l i n gp r o g r a mo fs v p w m ，c o n t r o l l i n ga n ds a m p l i n gp r o g r a m a n dp r o t e c t i o np r o g r a me t c i nt e r m so fd i f f e r e n tf u n c t i o n si sp r o g r a m m e d t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eo fe l e c t r i ca c t u a t o rh a sp a s s e dt h et e s t i n go ft h e s o f t - s t a r ta n ds o f t - s t o pw i t hv a r i a b l e f r e q u e n c y ，a c c o m p l i s h e sf i x e dp o s i t i o nt e s t i n g a n dp o s i t i o n - t r a c k i n gc o n t r o lo ft h ev a l v e t h ep o s i t i o ne r r o ri sl e d dt h a n1 a n dt h e p r o t o t y p ea c h i v e st h er e q u i s i t i o no f h i 出o u t p u tt o r q u ei nl o w - s p e e dc o n d i t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o rs v p w m i n v e r t e rc o n t r o ld s p i i 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频嚣 图表目录 图1 1 ：电动执行机构控制阀门的主要结构1 表2 1 ：执行机构的转矩范围7 图2 1 ：电动执行机构用智能型变频器总体框图7 图2 2 ：阀门力矩曲线9 图2 3 ：模拟量给定和电动执行机构运行速度之间的关系1 0 图2 4 ：电动执行机构的实际速度曲线l o 图2 5 ：三相电压型逆变电路1 3 表2 2 ：开关状态与相电压在d q 坐标系中的对应关系1 4 图2 6 ：电压空间矢量向量图1 5 表2 3 ：扇区对应表1 6 表2 4 ：各个扇区的t 、t 。开通时间1 7 表2 5 ：不同扇区的三个开通时刻对应值1 7 图3 1 ：变频器主电路示意图2 0 表3 1 ：控制电压范围2 1 图3 2 ：i p m 内部示意图2 2 图3 3 ：延迟启动电路2 3 图3 4 ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 示意图2 5 图3 5 ：d a 转换器内部结构2 6 表3 2 ：理想波特率2 7 表3 3 9 针r s 2 3 2 引脚定义2 8 图3 6 ：j t a g 接口2 8 图3 7 ：数据i 0 接口电路3 0 表3 4 ：2 4 1 3 a 功能和引脚定义3 0 图3 8 ：驱动信号电路3 1 图3 9 ：复位电路3 2 图3 1 0 ：时钟电路3 3 表3 5 ：电流互感器实验数据3 4 图3 1 1 ：直流母线电压采样电路3 5 表3 6 ：过欠压保护实验数据3 5 表3 7 ：7 4 h c 2 4 5 各引脚功能描述3 6 图3 1 2 ：键盘电路3 6 图3 1 3 ：4 2 0 m a 电路图3 7 表3 8 ：4 2 0 m a 电流环实验数据3 7 v 硕士学位论文电动执行机构用智能型变须嚣 图3 1 4 ：独立电源供电统3 8 图4 1 ：灵敏度a d 采样程序流程图4 l 图4 2 ：反馈位置定位器转角参数分砟示意图4 1 图4 3 ：位置反馈调整4 2 图4 4 ：软件系统的主程序4 3 图4 5 ：s v p w m 控制方式的软件实现4 4 图4 6 ：软件保护程序4 6 图5 1 ：i p m 开通信号4 7 图5 2 ：i p m 关断信号f og i44oo oo i o 4 7 图5 3 ：s v p w m 波形l 4 8 图5 4 ：s v p w m 波形2 4 8 图5 5 ：s v p 嘲波形3 w o odb 4 8 图5 6 ：“柔性”启动过程1 7 5 v ，3 0 h ：4 9 图5 7 ：“柔性”启动过程2 2 0 v ，5 0 k 4 9 图5 8 ：“柔性”停止过程1 7 5 v ，3 0 h 2 5 0 图5 9 ：“柔性”停止过程2 2 0 v ，5 0 h z 5 0 图5 1 0 ：负载为1 k w 时“柔性”启动过程和“柔性”停止过程5 1 表5 1 ：输出电压1 7 5 v ，3 0 h ：时的实验数据5 1 表5 2 ：输出电压2 2 0 v ，5 0 h ：时的实验数据5 2 表5 ，3 ：系统保护实验测试5 2 表5 4 ：执行机构阀门开度实验测试5 3 、，i 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： 盎、为，盏扣7 年7 月s 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：山0 7 年7 月号日 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频嚣 1 绪论 1 1 引言 随着经济的发展，工业自动化程度的不断提高，电动执行机构在机械、钢铁、化 工、建材、医药、造纸、卷烟、纺织、煤炭等行业得到广泛的应用。传统电动执行机 构装置受驱动电机条件的约束。体积、重量等一直都难以控制，由于电动执行机构的 专用电机的转速单一，为满足不同转速的需求，需要配备各种不同转速的电机。随着 电力电子技术的发展，交流变频调速技术得到不断进步和完善，变频调速以其优异的 调速和启制动性能，高效率、高功率因素和节能效果及其它许多优点而被认为是最有 发展前途的调速方式。运用微机技术实现对电机以及信号反馈的分析，通过改变频率 来控制电机的转速达到控制电动执行装置操作的目的。数字化的执行机构。8 采用交流 变频调速控制，具有体积小、安装调试简单、可调节范围广、控制方便、操作简便、 启动力矩大等优点。 智能型变频器执行机构主要结构如图1 1 所示，控制对象为阀门、风门等： 虽 烈蜜t 图1 1 电动执行机构控制阀门的主要结构 电动执行机构用智能型变频器特点是效率高、输出力矩和调速范围宽、控制精度 高且具有无级调速等优异的调速性能、快速的过载保护、过热保护等功能，并具有数 字通讯接口，与现场d c $ ( d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ) 相连接。智能变频器的执行机构与 传统电动执行机构相比有以下优点： 1 ) 使用电动执行机构用智能型变频器可节电l o 7 0 ，主要有软启动、调速 节能、功率因素高、效率高等优点： 2 ) 变频调速控制精度高是智能型变频器电动执行机构的突出优点，采用该装置 后可显著提高产品质量。变频调速可以根据负载特性改变运行特性，提高启动转矩， 在低速时执行机构可输出较大力矩完成对阀门的操作； 3 ) 电动执行机构用智能型变频器均采用微处理器进行过流、过压、过力矩以及 过温等多项智能保护“1 ，具有较高可靠性，减少了停工时间，大大延长了连续无故障 生产时间，降低了生产和运行维护成本。在许多行业还可以改善工艺水平，是很多企 业技术改造和产品更新换代的首选产品 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频器 1 2 电动执行机构的分类 根据机械接口的不同，电动执行机构可以分为三大类”： 1 ) 多回转电动执行机构：独立被控对象的全行程需要执行机构的输出轴转动大 于3 6 0 。才能完成。其主要的技术参数为关断力矩和输出轴转速，关断力矩大于 1 0 0 0 n m 的需配备减速箱构成一个整体。 2 ) 直行程电动执行机构：执行机构输出轴的运动是沿直线进行的，而不是转动 由多回转电动执行机构和直线推进装置组合而成。其主要技术参数为关断力矩、输出 轴直线运动速度和最大行程。 3 ) 角行程电动执行机构：执行机构的输出轴为9 0 。就可以完成被控对象的全行 程，它是由多回转电动执行机构和涡轮减速箱组合而成。角行程电动执行机构根据所 配减速箱的不同又可以分为直连式和底座曲柄式。其主要技术参数为关断力矩和全行 程时间。 根据控制模式的不同，电动执行机构又可以分为两大类： 1 ) 开关型电动执行机构：执行机构只能接受“开”、“关”或“停”信号，启 动次数达6 0 0 次4 时 2 ) 调节型电动执行机构；可以接受“开”、“关”或“停”信号和模拟控制信 号，甚至可以组成总线控制网络，启动次数可达1 2 0 0 次d , 时以上 1 3 电动执行机构的应用背景 随着技术的不断进步，国外的执行机构厂家已从传统的非智能型向智能型方向转 变，目前比较有名的厂家有英国的r o t o r k ，德国s l p o s 、e m g 、a u m a 和美国的4 船， 意大利比费等。下面就传统的非智能型与调节型( 也称智能型) 进行比较，可以看出 现阶段研究智能型执行机构有其现实的依据。 1 ) 非智能执行机构大部分是通过继电器和接触器改变三相交流电源的相序来改 变电机的转向。一方面，这是有触点的转向，故障率高，维护量大；另一方面，开关 型执行机构仅能改变电机转向，无法对电机实现精确控制，从而无法改善控制质量、 实行控制过程的最优化。而采用变频技术的执行机构将电机变频控制技术应用于电动 执行机构中。一方面，可实现电机的无触点电子变换，没有磨损，无需维护；另一方 面，可对电机实现精确控制，从而实现控制过程最优化。 2 ) 通过继电器和接触器改变三相交流电源的相序来改变电机的转向，会出现很 多问题：第一，开关型执行机构需要频繁调节，调节次数需达6 0 0 次4 时，甚至在1 2 0 0 次4 时以上执行机构的电机换向触点会频繁动作，导致发热且出现严重磨损；第 二，电机换向控制箱无法向电机提供有效保护，再加上常规电机的质量且不具备先进 2 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频嚣 的自身保护功能，因此，开关型执行机构的电机较易损坏。而采用变频技术的执行机 构采用无触点电子换向和全面的电子式电机过热保护功能，不会出现烧毁电机的现 象。 3 ) 因电机运行的惯性，执行机构的调节精度低，尤其在实现微调时会出现不稳 定的震荡，且对风门造成冲撞，影响风门使用寿命。而采用交频技术的执行机构具备 “缓起”、“缓停”和“柔性到达极限位置”等功能。一方面。“缓起”、“缓停”和电 磁制动可确保极高的调节精度，避免震荡，并可在确保以最大力矩启动的同时启动电 流不会超过电机的额定电流；另一方面，“柔性到达极限位置”功能可在保证开或关 到位的同时，避免由于电机惯性对阀门造成冲撞，延长阀门使用寿命，有利于保证执 行机构的稳定性。 4 ) 传统的非智能型执行机构既不带故障自诊断功能，也无法对执行机构有参考 价值的各种运行和历史数据进行存储和处理，一旦出现故障，现场维护工程师就无法 进行分析并排除故障，也没有历史运行数据可参考。而采用变频技术的智能型执行机 构，一方面，对于可能出现的所有故障都能自行检测，并给出报警信号和故障指示， 参照使用说明书可方便快速的找到并排除故障；另一方面。可记录并存储所有重要的 运行数据，使用户对其状况有数据可查。 5 ) 执行机构一旦出厂，其输出力矩和全行程时间就是固定的，无法改变，因此 造成型号多、库存备品多的问题。而采用变频技术的执行机构，在不改变任何硬件的 前提之下，用户可对其输出力矩和全行程时间进行编程设定，使一种型号适用于多种 应用场合，这样可以减少执行机构的型号，方便调试，也可以大大减少库存备品的种 类和数量。 6 ) 目前大部分电动执行机构采用机械抱闸式电机制动方式，故障率非常高，维 护极为困难。两采用变频技术的执行机构，使用无接触的电磁制动，制动强度可由用 户自行设定。 以上为开关型执行机构和智能型执行机构的比较，对现阶段的执行机构背景有了 一定的初步认识，并对整个电动执行机构有一个系统的认识。 1 4 国外电动执行机构产品特点 1 ) 系统的集成化和模块化：随着芯片技术的发展，把电动执行机构交频调速系 统的控制单元集成在一个芯片中，组成了不同功能的控制单元，这样，可以大大减少 控制电路的体积，又可以提高各功能电路的稳定性由于散热、干扰以及生产等方面 的原因，执行机构系统采用了功能模块化方式，如，尸肘集成了多个拓四砌率器件，其 外部驱动和保护电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，提高了故障下的自保护能力， 并且功能的模块化使其应用范围更加广泛 3 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频器 2 ) 系统的高频化：通过改进器件的结构和材料，减小执行机构中储能元件的体 积和重量，通过提高开关频率、降低开关损耗和导通损耗来改进开关器件的性能。采 用高频化载波的s v p 阡m 信号是今后执行机构的发展方向，还可以采用软开关技术改 进控制方式。 3 ) 系统的网络化：执行机构用智能型变频器是以微处理器为核心的智能化电器， 随着工业技术的进步，各种自动化生产线的出现，工业现场往往要求通过计算机或者 网络控制技术实现对多台变频器的控制，变频器与上位机实现数据的双向通讯，使现 场控制系统统一形成网络化。采用数字通讯技术将电动执行机构、计算机、网络连线 等组成一个局域网络。 4 ) 系统的全面保护：电动执行机构的应用环境非常复杂，且该系统涉及到开关 电源、逆变技术、控制系统等，实际应用的电子元器件、软件的编程、生产工艺，系 统难免会出现故障，所以保护电路就尤其重要。例如；执行机构的过流保护、缺相保 护、输入过欠压保护、电机的温度、过力矩保护、看门狗的保护等。如果系统发生过 流，过流保护电路采样电流互感器的输出电压值，关闭p 胴缩号的使能端，就能使 整个系统处于关闭状态。 5 ) 系统的智能化控制：执行机构通过控制阀门的开度来调节流量。通常电动执 行机构是通过液晶显示和键盘系统来给定电机的开度，其内部通过响应外部4 2 0 m 4 电流环来控制给定电机的位置和速度的设定。通过键盘来控制阀门的“开”、“关”、 “停”、“紧急”等功能。 1 5 本文的主要内容及意义 随着执行机构的发展以及现场对执行机构系统要求的提高，除了购买国外公司 的相应产品之外，国内的许多执行机构生产厂家也在不断提高执行机构产品的质 量。课题研究的电动执行机构用智能型变频器系统主要包括：执行机构系统的硬件 平台、执行机构系统的电压空间矢量的控制方式研究和执行机构系统的软件设计。 在数字控制芯片中，传统的单片机已经不能满足先进的控制理论、高效的控制 算法以及快速的运算和处理能力的要求，使用s v p w m 信号平台的凌阳 s p m c 7 5 - 2 4 1 3 a 系列单片机来解决控制器不断增加的计算量和中断需求是一个比较 可行的方法。凌阳的舒w c 7 5 - 2 4 1 3 4 系列d s p 型单片机将一系列外围设备如模数 转换器( a d ) ，脉宽调制发生器( p f 聊) 等和高速处理器集成在一起，功能强 大，集合了单片机的中断功能和d s p 的运算功能，其软件和开发工具不断增加，操 作简便，开发容易，同时价格却大幅度降低，其低端产品的价格己接近单片机的价 格水平。 系统属于电压型逆变电源，需要解决的一个关键问题是如何给定开关管的开关 4 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频器 信号，其中s p w m 和s v p w m 是两种可行的控制方式，与s p w m 控制算法相比， s 卯阡m 的控制方式相对简单，直流电压利用率高嘲，便于实现数字控制。 1 5 1 本文的主要意义 本课题来源于南京欧控自动化有限公司的研发项目，其主要意义有以下几点： 1 ) 变频器是当今电力电子技术的一个热点，课题是交一直一交变换器逆变技术 的重要内容。 2 ) 课题研究的是电动执行机构用智能型变频器，为我国执行机构由低端产品 开关型向高端产品智能型的转变提供了理论和实践基础。 3 ) 课题研究s 纾聊m 控制技术，该控制技术的应用能提高系统的动态性能和 稳态性能，使系统的可靠性大大提高。采用该控制技术的电动执行机构比原先的开 关型无论是在性能还是稳定性上都有了质的提高。 4 ) 电动执行机构可应用到冶金、化工，造纸，电力等工业领域，将会产生较 大的社会效益和经济效益。 1 5 2 主要内容 课题研究了电动执行机构用智能型变频器的电路拓扑、控制策略及关键参数的 选择，主要对该电路拓扑进行了详细分析和原理试验。本文主要内容安排如下： 第二章介绍电动执行机构的技术指标，重点阐述电动执行机构的总体方案，介 绍电动执行机构系统各部分的功能和作用。电动执行机构的机械接口设计包括了执 行机构的力矩、位置和速度的给定，结合电动执行机构实际的工作现状和主要特点 进行控制方案选择，主要包括s 卯胁f 控制方式的理论研究、扇区的确定、s 卯形m 信号占空比的计算和对应开通时刻的确定，最后对系统软硬件抗干扰措施进行了分 析。 第三章介绍变频器的硬件平台，即基于d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数字控制系统的 控制平台和s v p w m 的信号平台凌阳的s p m c 7 5 2 4 1 3 a 系列单片机。系统的主功率 部分电路包括：主电路拓扑的选择、i p m 和整流桥参数的选择、主电路的软启动电 路；接口部分电路包括：驱动与保护电路、4 2 0 m a 电流环电路、供电电源等电路。 人机界面的操作，不仅要考虑到现场工程人员的可操作性、清楚的显示和明确的指 示界面，还要实现执行机构的智能性。 第四章介绍课题软件的主要功能以及软件系统的拓扑，主要功能包括零点调 整、灵敏度调整、行程调整。软件设计主要包括系统主程序设计、s v p w m 信号的 软件实现、彳d 采样以及软件保护程序设计。 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频嚣 第五章给出相应的实验波形和实验数据，包括i p m 的驱动波形，s v p w m 信号 的输出波形，系统变频启动和变频停止的实验波形，对整个电动执行机构用智能型 变频器的性能进行验证 第六章是对全文进行总结并对今后工作进行展望，对研究课题期间遇到的一些 问题进行探讨 6 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频署 2 电动执行机构的总体方案和系统抗干扰措施 2 1 电动执行机构的性能指标要求 1 ) 电气指标：执行机构的输入电压为2 2 0 v c ( 1 5 ) ，频率为4 7 6 3 h z ， 输出电压最高2 2 0 v a c ，频率0 5 0 h z ，电机的额定功率为1 k w , 额定电流3 2 a ， 保护电流点5 a ，功率因素为0 8 0 。 2 ) 机械性能指标：i k w 电动执行机构的转矩范围如表2 1 所示： 表2 1 执行机构的转矩范围 3 ) 其它指标：电动执行机构的噪声等级( 7 0 d b ，电动执行机构的标准防护等 级符合d j e 6 0 5 2 9 标准，电机绝缘等级为，环境温度在- 3 0 0 c 7 0 0 c 范围内， 电动执行机构正常工作。 2 。2 总体方案设计 2 2 1 系统总体方案 电动执行机构用智能型变频器主要由以下几个部分组成，见图2 1 整个系统 的设计就是按照总体框图来依次划分。 图2 1 电动执行机构用智能型变频器总体框图 7 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频嚣 2 2 2 各部分的功能和作用 e m i 单元：变频器是电力电子设备，它由电子元器件、计算机芯片等组成， 易受外界的电气干扰；另外，在变频器内还有开关元器件、振荡电路、数字电路、 继电器等都将产生连续的干扰频谱。这就是说，变频器投入运行既要防止外界干扰， 又要防止干扰外界，而增加e m i 措施是防止干扰的有效途径。 整流单元：整流的主要作用是把输入的2 2 0 v 交流电变换成系统功率级的直流 电，保证其电流是连续的。 软启动单元：电动执行机构系统软启动的作用就是减弱系统刚上电时的超高 涌流以及由此对关联设备或系统组件产生的应力所造成的破坏性后果。 功率级单元：功率级主要完成系统的逆变以及提供系统各功能模块的供电。 驱动电路单元：驱动部分接收控制芯片发出的s v p w m 信号，经过电平和相 位的转换，完成对1 p m 的驱动，并且设置了死区环节。驱动电路保证了控制器发出 的s v p w m 信号的上升沿和下降沿，减少了开关管的损耗。 保护功能单元：系统的保护分为执行机构的软硬件保护和电机自保护两个功 能，执行机构保护有输入过欠压保护、输出过电流保护、i p m 故障保护等，电机保 护有过热保护、缺相保护等。 位置反馈单元：位置反馈是通过位置反馈定位器采样的电压值，经过a d 转 换后把数据送入d s p ，通过显示界面反馈给现场操作人员。 位置给定单元：位置给定是通过改变傩p 发出的p t v m 占空比，通过4 2 0 m , , 1 电流环输出的电流信号进行电平转换给定阀门的位置，其中，信号转换的精度控制 在1 之内。 开关量输入单元：电动执行机构系统的开关量包括。开”、“关”、“停”、“紧 急”四个功能。现场操作非常方便，符合现场的操作要求和规范。 控制系统单元：电动执行机构控制系统包括d s p 系统和s v p w m 信号发生芯 片s p m c 7 5 - 2 4 1 3 a 。d s p 系统主要完成位置反馈信号的a d 转换，液晶和键盘的程 序。研似c 7 5 2 4 1 3 a 主要完成s v p w m 信号的输出及软件保护的功能。 显示与键盘单元：为了现场操作的方便，电动执行机构系统设置了带中文字 库的液晶显示和四个独立按键的键盘。 2 3 电动执行机构机械接口设计 2 3 1电动执行机构的力矩分析 由于电动执行机构在运行中要求有快速开启和制动响应，阀门的定位精度要求 8 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频器 高，并且在控制过程中需要保持良好的转矩控制，因此控制策略的选择关系到系统 的整体控制性能。由于阀门的工作特点要求执行机构在阀门的开、关和中间任意位 置都具有满负荷启动能力，这就要求执行机构有较高的启动力矩。同时由于流量调 节需要，还要求电机必须具有较小的转动惯量。图2 2 显示了电动执行机构的启动 力矩。在启动的开始阶段，启动力矩是正常运行时的两倍，而在关闭的一瞬间，力 矩也是正常运行时的两倍，因此系统采用了“柔性”启动功能和“柔性”到达极限 位置功能。 7 a p hn o i 4 j 1 d 2 口l 口l0io1口! 口jojoj f 1 0 艇1 州- - - o 砰日- 州_ - - 渊e 图2 2 阀门力矩曲线 “柔性”启动功能：可确保以最大力矩启动，启动电流小于电机的额定电流， 并可确保高定位精度。 “柔性”到达极限位置功能：电动执行机构系统在接近“全开”和“全关”两 个极限位置时，会以低速运行，这样可避免对被控对象造成冲撞、减少磨损、延长 被控对象的使用寿命、确保关到位；同时，可调整的关断力矩为最大力矩的3 0 9 6 1 0 0 ，以10 9 6 为间距。 2 3 2 电动执行机构系统位置和速度给定 阀门的位置给定和速度给定都是通过外部模拟量4 2 0 m a 电流环控制的。在关 末端位置的范围为0 9 6 2 ，对应值为4 m a ，开末端位置的范围为9 8 9 6 1 0 0 9 6 ，对应 值为2 0 m a 。电动执行机构的速度给定也是由4 2 0 m a 电流环控制的，可以减少开 关次数和压力的波动，图2 3 为4 2 0 m a 模拟量给定和电动执行机构运行速度之间 的关系，其控制精度在1 ： 9 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频嚣 速度范围 4 0 嚣 2 0 1 4 1 0 7 5 04 06 38 61 0 91 3 11 5 41 7 72 0 0电流给 定值m a 图2 3 模拟量给定和电动执行机构运行速度之间的关系 电动执行机构的实际速度曲线如图2 4 所示： 速度范围 4 0 2 8 2 0 1 4 1 0 7 5 o x ix 2x 3 强蜘) ( 6x 7 输出轴转速 图2 4 电动执行机构的实际速度曲线 在一定的速度范围内，输出轴转速可由用户自行设定( 有7 档不同的输出轴转 速可供选择) ，多至l o 个点的位置( 以全行程的1 为间距) 且可设置该位置的运 行速度( 速度范围内的7 步速度) 。当下一个插入点的位置比前一个插入点的位置 还要低时( 例如，默认值为o ) ，速度曲线的设定就全部完成了。最后一个设定 的速度就应用于一直到全开的末端位置。 电动执行机构的速度和位置给定是同时进行的，如现场操作人员要给定阀门的 位置在全行程的6 0 ，则控制系统通过位置检测得到现在阀门所处的位置，然后给 定s v p w m 信号进行速度控制；在接近所要求的6 0 时，降低电动执行机构的速度， 使之产生的运动惯性最小，从而减小对阀门的冲击 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频器 2 4 电动执行机构用智能型变频器的控制方案 目前，电动执行机构的控制方案主要有以下四种： 1 ) 啪制方式 u i f 控制是为了得到理想的转矩一速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同 时，保证电动机磁通不变的思想而提出的但是由于在实际的调速控制过程中，还 必须考虑到启动转矩、限制启动电流和得到理想的转矩特性等方面的因素，因此， 在这种控制方式中，为了得到比较满意的转矩特性，同时控制输出电压频率厂和输 出电压幅值阢并保持u f 恒定。但这种控制方式的主要问题是：当低频工作时， 系统会产生转矩较小、转矩脉动、谐波加大等缺点；当系统运行频率为额定频率的 1 0 以下时，最大转矩急剧下降，这是定子电阻压降的影响使气隙磁通减小的结果册。 2 ) 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在啪制的基础上按照异 步电动机的实际转速对应电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频 率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速 度传感器，有时还加有电流反馈对频率和电流进行控制。因此这是一种闭环控制方式， 可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 当转差频率弧较小时，在保持u 叵定的基础上，异步电动机的转矩基本上与转差率s 成正比。这就意味着只要调节变频器的输出频率磊，就可以使异步电机具有某一转差 频率，从而使异步电动机输出定的转矩，达到控制异步电动机输出转矩的目的。 转差频率控制是通过电动机转速对应的频率与转差频率来给定变频器的输出，控 制与转差率有直接关系的转矩和电流。这种控制方式比u i f 控制的调速范围宽一些， 精度高一些，响应快一点，但易受干扰影响，稳定性较低。由于执行机构现场干扰非常 大，不宜采用这种方式。 3 ) 矢量控制 矢量控制技术源于电机的磁场定向控制。电机磁场定向控制的目的是通过坐标 变换，将原来强耦合的三相交流电机系统转化为两相直流系统嘲，这样耦合性大大 降低，在两相坐标系下采用直流电机的控制方式进行控制，其控制也变得相对简单。 它以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用静止坐标系与旋转坐标系之间 的变换，把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量独立开来，分别进行控制“州。 这样，通过坐标变换重建的电机模型就可以等效为一台直流电机，从而可像直流电 机那样进行快速的转矩和磁通控制。目前在变频器中应用的矢量控制方式主要有基 于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式。基于转差频率控 制的矢量控制方式经过坐标变换对定子电流的相位进行控制，能够消除转矩电流过 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频器 渡过程中造成的波动。基于无速度传感器的矢量控制方式是通过坐标变换处理分别 对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电机绕组上的电压、电流来达到控 制励磁电流和转矩电流的目的”与前两种控制方式比较，该控制方式调速范围宽， 起动力矩高，精度高达0 1 ，响应快，高精度调速都采用矢量控制变频器s v p w m 控制方式。 4 ) 直接转矩控制 与矢量控制并行发展的还有直接转矩控制方式。它以异步电动机的转矩直接作 为被控制量，强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波。前西德学者于 1 9 8 5 年发明了直接转矩控制( d t c ) 。它与矢量控制技术并行发展但又有所不同， 避免了矢量控$ r j 中- 次坐标变换及求模和相角的复杂计算，直接在静止坐标系( 定 子坐标系) 上借助三相定子电压和电流计算电机的转矩和励磁，并与给定转矩和励 磁进行比较，通过对转矩的b a n g - b a n g 控制，使转矩响应迅速完成且无超调1 这 种直接转矩控制方法，系统结构简单，对电机参数变化不敏感。 电动执行机构系统采用的是电压空间矢量控制方式来实现执行机构的变频调 速，这也是电动执行机构系统最重要的一个环节。 2 4 1 s v p 呀t 控制方式研究 电压和磁链的关系式为： u = 国垆。g 扣+ r 2 ) ( 2 1 ) 当磁链的幅值一定时，己哟大小与角频率国成正比，其方向为磁链圆轨迹的切线 方向。s v p 瞅式是通过选择合适的空间电压矢量，调控开关管的开通顺序和开通 时间，使定子磁链旋转运动轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转的形状问题就可以 转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。由于s v p 嗍制方法是把逆变器 和电机作为一个整体来考虑，使得控制电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，所以相对 于其它控制方式，这种控制方式简单、直流电压利用率高、谐波成分小、便于数字化 实现，它与传统电压正弦p 嗍比，具有功率器件开关损耗低、逆变装置直流侧电压 利用率高等优点瞄”剐，所以在调速系统中得到广泛应用，图2 5 为典型的三相电压 型逆变电路“： 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频器 v d c 阱肆兹兹列 伍力 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频器 表2 2 开关状态与相电压在由坐标系中的对应关系 但是如果电机的控制照此进行，磁链矢量的运动轨迹就是一个正六边形，输出的 电压波形效果就很不理想，谐波很大。如果希望得到近似的圆形旋转磁场，就必须增 加开关管的开关次数，使之近可能接近圆形旋转磁场电动执行机构系统采用了线性 组合的方式。其基本公式嘲为( 2 3 ) ( 2 6 ) ： 正= m t 。s i n ( 6 0 。一0 ) l = m t 。s i n0 ( ，i + u2 t 2 = u o u tl 疋= t i + t 2 + t o 其中： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 1 4 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频嚣 胁定义为调槭值为粤，肘一：掣“1 5 1 ，常 用的s p w m 调制方式最大值为1 ，所以采用了s v p w m 的控制方式更能提高直流电 源的利用率； 乃：矢量开通时间； 7 2 ：矢量开通时间： 瓦：c ，d w 开通时间； 玑。：输出参考电压矢量； 口：矢量u 和。之间夹角； 疋可以事先确定，u 。可以给定，0 可以由输出正弦波电压的角频率和n t c 的 乘积确定，则当已知u 1 和后就可以确定兀和正。一个周期内合成矢量越多，采样 频率越高，实际波形就越接近于正弦波，效果也就越好要改变输出电压的幅值，根 据式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 和图2 6 可知，只要按相同比例改变死和乃，即通过改变调 制度m 使电压向量轨迹半径变化，而电压向量方向没有改变。 q 0 1 。” 2 4 2 扇区的确定 图2 6 电压空间矢量向量图 电动执行机构系统在检测到当前阀门位置时，给定d s p 的位置反馈量，再根据 现场操作人员所需阀门的开度来决定电机的正反转，而电机的正反转是由矢量控制 的扇区决定的。 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频嚣 当，a w 以匆坐标系来给出时，基本关系式为式( 2 7 ) ( 2 9 ) ： u a = u s i n o u = u o ，c o s o 0 = 2 矿 那么，可以得到三个临时变量a 、b 、c ，则有： 口2 u q 6 = 巫2 一1 2 以 口 _ 一孚一三u。2 一了u d i “口 则依据表2 3 可以确定扇区： 表2 3 扇区对! 壹表 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 扇区 判断条件 a o ：b o ；c 0 b o ：b s o ：c o a o ；b 0 ：c o b o ：c ) o 口o ；b o ；c 0 2 4 3 s v p i t 4 信号占空比的计算和开通时刻的确定 当c 。的扇区确定之后，就会考虑每一个扇区内开关管的开通时间计算“4 捌， 具体计算公式为( 2 1 3 ) ( 2 1 5 ) ： 舻压老 包 y = 去 一+ 蛳 眨 1 2 3 4 5 6 硕士学位论文 电动执行机构用智能型变频器 z = 去涵q - 3 蚴) 眨s ， 根据扇区的不同，可以给定两个相邻矢量的开通时间，如表2 4 所示： 表2 4 各个扇区的兀、是开通时间 7 _ z 其中，兀为矢量矾开通时间，乃为矢量沈开通时间， 对应的三个开通时刻的值由式( 2 1 6 ) ( 2 1 8 ) 确定： p t m r 4 一t g r a = o 2 5 i o pt m r 4 _ t g r b = o 2 5 t o + o 5 互 t o = z c 正一乃。那么相 p _ t m r 4 _ t g r c = o 2 5 1 o + o 5 r , + o 5 互 具体每个扇区对应的三个开通时刻的具体值如表2 5 所示： 表2 5 不同扇区的三个开通时刻对应值 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 2 5 电动执行机构系统抗干扰的措施 电动执行机构的工作环境非常复杂，工作现场的强电干扰非常严重，一般现场 温度为3 0 0 c 7 0 0 c ，这就要求比较敏感的控制系统、独立电源等有较强的抗干扰能 力，所以在整体设计的最初阶段就必须采取软硬件措施进行抗干扰设计，减小各种 1 7 硕士学位论文电动执行机构用智能型变频嚣 外界的因素对电动执行机构的影响，提高整个系统的可靠性和稳定性。可靠性设计 是一个系统工程，因此电动执行机构系统的可靠性必须从硬件、软件两个方面综合 考虑。硬件方面的可靠性设计是电动执行机构系统可靠性的根本，软件方面的可靠 性设计能起到抑制外来干扰的作用。 2 5 1 硬件抗干扰措施 硬件系统的抗干扰措施主要包括滤波技术，接地技术、退耦技术、隔离技术 和屏蔽技术等。 硬件系统的可靠性直接影响到电动执行机构的安全、稳定运行，系统的抗干扰 能力是整个系统可靠运行的关键。执行机构的现场往往有许多强电设备，它们的启 动和工作将会对执行机构产生强烈的影响，而来自电网的干扰、系统外引线干扰等 问题尤为突出。尤其是电网的干扰，交流侧谐波会引起变压器的噪声增高，功率损 失增大，