（测试计量技术及仪器专业论文）智能变频电动执行机构的研制.pdf

南京理工大学硕士论文 智能变频电动执行机构的研制 摘要 电动执行机构是阀门控制的重要装置，在水、气( 汽) 等流体控制的管网系统中 起着至关重要的作用。电动执行机构以电源为动力通过电机来控制阀门的开度，具 有精度高、输出力矩可调、控制方法多样、可实现智能调节和管理等优点，在工业上 得到了广泛的应用。 本课题设计和研制了智能变频电动执行机构的样机，实现了对阀门的智能控制和 c a n 总线网络通信的功能。 电动机的变频控制采用电压空问矢量( s v p w m ) 的变频方法，文中详细介绍了 s v p w m 的数字化计算原理和d s p 的软件算法实现。变频主回路采用智能功率模块 ( i p m ) 作为逆变单元，文中详细讨论了以口m 为核心的逆变主回路电路，并对其电 路参数进行了计算研究。以p m 模块的工作条件为参数，对口m 的功率损耗进行了 仿真分析，确定了模块的安全工作区。通过实验调试，实现对电动机5 1 0 0 i i z 范围 内的实时开环调速控制。 系统的微功耗设计以t i 的超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 为核心，通过软硬件的 试验和电路优化设计达到了电池供电的使用要求。 现场总线接口基于c a n 总线标准设计，通过外扩总线驱动器的方式，实现了c a n 总线数据链路层和物理层的连接，并初步定义了c a n 总线标识符的分配方法。 邛m 关键词：电动执行机构变频控制s v - p w md s pc a n 总线 南京理工大学硕士论支 吾能变颓电动执行概约筠研割 a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri sav e r yi m p o r t a n te q u i p m e n ti nv a l v ec o n t r o l ，w h i c hp l a y sa l l i m p o r t a n tr o l e si np i v en e to fl i q u i dc o n t r o l ，s u c ha sw a t e r , g a s ( s t r e a m ) e r e e l e c t r i c a c t u a t o rw h i c hi sp o w e r e db ye l e c t r i ce n e r g ya n du s e sm o t o rt oc o n t r o lt h eo p e n i n gp e r c e n t o f v a l v e ，h a v eb e e nu s e dc o m p r e h e n s i v e l yi ni n d u s t r yd u et ot h ee x c e l l e n c es u a c ha sh i g h l y p r e c i s i o n , t h ea d j u s t a b l eo u t p u tt o r q u e ，t h ev a r i a b l ec o n t r o lm e t h o d ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e d a d j u s t m e n ta n dm a n a g e r m e n t e t c a p r o t o t y p eo fe l e c t r i ca c t u a t o rw i t hs m a r tf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o l ，w h i c h r e a l i z e st h es m a r tc o n t r o lo f v a l v ea n dt h en e t w o r k sc o m m u n i c a t i o nb a s e d0 nc a nb u s i s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d s v p w mi sa d o p t e dt or e a l i z et h em o t o rw i t hf r e q u e n c yc o n v e r s l o nc o n t r 0 1 ht h i s p a p e rt h ed i g i t a lc a l c u l a t ep r i n c i p l ea n d a r i t h m e t i cb a s e do nd s pi si n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y t h em a i nc i r c u i tl o o pa d o p t e d 口ma si n v e r s i o np a r t t h em a i nl o o pc i r c u i to fi n v e r s i o n b a s e do ni p mi sd i s c u s s e dp a r f i c t d a r ya n dt h ec i r c u i tp a r a m e t e ri sr e a s c a r c h e d t h ep o w e r l o s ss i m u l a t i o na n a l y s i so f 口m w h i c hu s e st h ew o r k i n gc o n d i t i o no f 口ma ss i m u l a t i o n p a r a m e t e r , i su s e dt oc o n f i r mt h es a f 乱yo p e r a t i n ga r e a t h er e a l - t i m e ，o p e nl o o ps p e e d m o d u l a t i o nm o t o rc o n t r o li sr e a l i z e di n5 - 1 0 0 h zb ye x p e r i m e n tt e s t t h el o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g n ，w h i c ha c h i e v e e st h er e q u i ro fu s i n gb a t t e r yb y t h e e x p e r i m e n t a n dc i r c u i t o p t i m i z e , i s b a s e d o i l t i s u l t r a l o w - p o w e r m i c r o e o n t r o l l e r - m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 t h ei n t e r f a c eo ff i e l db u si sd e s i g n e db a s e do nc a nb u ss t a n d a r d b yl l s i n ge x t e n s i o n o fc a nc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，t h ec a nb u sl i n ko fd a t al i n kl a y e ra n dp h y s i cl a y e ri s r e a l i z e da n dt h ea s s i g nm e t h o do f c a nb u si d e n t i f i e ri sd e f i n e ds i m p l y k e y w o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o r , f r e q u n c yc o n v e r s i o nc o n t r o l ，s v p w m ， d s p , c a nb u s ，i p m 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，除了加以标注和致训的部分外，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己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 矽芦和日 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：佃降 矽，7 年7 月日 烨 南京理工大学硕： ：论文智能变频电动执行机撺的研制 1 绪论 1 1引言 】，1 1 电动执行机构的发展概况 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 为工业发展的重点。在能源、化工、钢铁和运输等工业发展的重点领域，水、气( 汽) 等流体控制的管网系统对生产控制起着非常重要的作用。管网系统的自动化水平体 现了整个工业自动化程度的高低。在管网系统中，阀门是控制系统中最主要的控制机 构。因此，对阀门的自动控制就显得尤为重要而实现管网系统的自动化控制就必须 要有执行机构。 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【1 】。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，对工业现场的要求比较高，因此气动执行 机构有很大的使用局限性。同时由于气动和液动执行机构对阀门进行调节时是非线性 的，无法实现阀门的高精度控制。因此，在的阀门控制领域中，电动执行机构应用广 泛。电动执行机构是以电源为动力通过电机来控制阀门的开度，具有精度高、输出力 矩可调、控制方法多样、可实现智能调节和管理等优点，得到国内外厂商的青睐【2 】。 国外的执行机构出现较早，一直保持较大优势【1 】。从2 0 世纪9 0 年代初期，国外一 些生产电动执行机构的厂商，又丌发了新一代的产品占领市场。世界上比较知名的公 司主要有以下一些：德国的西门子( s 正m e n s ) 、英国的罗托克( r o t o r k ) 、美 国的乔登( j o r d a n ) 、德国的e m g 、a b b 、德国的哈特曼布朗 ( h a r m a n b r 觚聪) 、德国的奥马( a u m a ) 、法国的伯纳德、意大利的b i f f i 、 美国的柏勒夫( b e l l o f r a m ) 等i 】1 2 】1 3 ) o 西门子公司生产的s i p o s 系列电动执行机构 是其中最具有代表性的t 3 1 。s i p o s 是s i e m e n sp o s i t i o n e r 的缩写。s i p o s 已被广泛应用 于全球各个工业生产领域。西门子公司不断更新技术，相继淘汰了s 口o sl 和s i p o s3 ， 在全球范围内首次创造性地将先进的电机变频控制技术应用于电动执行机构中采用 内置一体化变频器来控制执行机构的电机，向市场推出面向新世纪的新一代s i p o s5 系列电动执行机构。西博思公司电动执行机构的主要系列：s i p o s1 、s i p o s3 、s i p o s 5f l a s h ( 3 1 。 我国的执行机构和伺服放大器是六十年代统一设计的，三十多年来在技术上没有 多大创新，最早的型号有d t z 和d t j 。但近几年( 基本是在“九五”期间进行) ，随着 国内对控制要求的不断提高，各相关研究机构和部门也开发出新一代的智能型电动执 行机构，性能有很大提高，价格在进口产品的一半以下。开发机构主要有：上海自动 化仪表股份有限公司、四川仪表集团公司、上海锐凯仪表有限公司等。型号主要有： 南京理工大学硕士论文智能变频电动执行机构的研铂 q s l 、q s q 、d k z - z 、z k j z 、z i l j 、i k j 等。 1 1 2 电动机控制技术的发展 电动执行机构采用电动机为动力源，因此，对电机的控制就显得尤为重要。电机 控制技术可以分为以下三种方式5 】 6 1 ：直接启动控制、降压启动控制和变频调速控 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c o s 驴又很低，因此造成了启动电流变大而启动力矩变小的结 果【6 】。 降压启动控制方式是指在定子中串接电抗器启动，启动时电抗嚣接入定子电路， 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6 1 。 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， 同时电机速度不能进行控制，因此采用上述两种控制方式的电动执行机构阀门控制精 度很低，对阀门造成的冲击很大，而且打开较紧阀门时系统可能无法正常启动，难以 满足现代工业控制的需求。 目前，变频控制技术是最先进的电动机控制方法【4 】【5 1 。变频控制方式是指将频率、 电压都周定的交流电压变换成频率、电压都连续可调的交流电源，此种控制方式能够 实现电动机的柔性启动，避免了对阀门造成冲击。同时通过变频调速，实现了对阀门 的精确控制。 电动机的变频控制和交频控制理论得益于电力电子学的发展才逐步由理论变为 实用h 1 【5 l 【7 l 。2 0 世纪6 0 年代电动机变频以大功率晶闸管( s c r ) 为主，但是由于s c r 用于相互关断的电容器要求电压较高，容量较大，而且一致性不好，变频调速技术并 未普及。7 0 年代电力晶体管( g t r ) 的出现将变频调速推向了普及。到了8 0 年代末， 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的出现，使得变频器的性能有了很大的提高。在器件 的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控寺4 模式，不仅大大降低了栅极的控 制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速率，从而使器件的工作频率由工频、 中频到高频不断提高。目前正朝着大容量、高频率、易驱动、模块化、复合化的方向 发展。随着i g b t 的模块化和各项性能的提高，现在已经开发出具有智能化功能的智 能功率模块( 口m ) f 8 】。日本三菱公司开发出柬i p m 模块是用于1 1 0 k - w 以下变频器的最 新产品，居于世界领先水平，其模块代表了当今模块技术的发展水平。 电动机的变频控制方法也是随着电力电子器件的发展而不断的发展和提高的 【6 j 【4 】【5 1 。变频器对电动机进行控制是根掘电动机的特性参数及电动机运转要求，对电 动机提供电压、电流、频率进行控制从而达到负载要求的。因此即使变频器的主电路 2 南京理工大学硕l ：论文智能蹙频电动执行规掏的研制 一样，逆变器件也相同。处理器位数也一样，只要控制方式不一样。其控制效果也是 不一样的。所以变频控制方式非常重要，变频控制方法代表了变频器的水平。目前变 频器对电动机的控制方式大体可分为u f j | 亘定控制、转差频率控制、矢量控制、直接 转矩控制等【4 i i 习。 ( 1 ) u 值定控制【5 】 u ，f 控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通 保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压 ( v o l t a g e ) 与频率( f r e q u e n c y ) 之比恒定，称为u f 控制。恒定u 髓制存在的主要问题是 低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电 动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化：其次是无法准确的控制电动机的实际转速。 ( 2 ) 转差频率控制【5 】 转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出 电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与 转差频率之和作为变频器的给定频率。与u f 控制相比，其加减速特性和限制过电流 的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态 误差小。 f 3 ) 矢量控制1 5 】 矢量控制，也称磁场定向控制，是7 0 年代初由西德e b l a s s c h k e 等人首先提出，以 直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。矢量控制变频调速是将异步电动机 在三相坐标系下的定子交流电流i a 、i b 、i c 。通过三相到二相交换，等效成两相静止 坐标系下的交流电流i a l 、b l ，再通过按转子磁场定向旋转变换。等效成同步旋转坐 标系下的直流电流i m l 、i t l ( i m l 相当于直流电动机的励磁电流：i t l 相当于直流电动机 的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相 应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频 调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动 机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的课题。 ( 4 ) g 接转矩控制【5 】 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术 在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩， 而是把转矩直接作为被控量来控割。转矩控制的优越性在于转矩控制是控制定子磁 链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性 良好。所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无 速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。 综上所述，电动机的调速方法由直流调压调速发展到交流感应电动机的变频调 南京理工大学硕士论文 智能变频电动执行机构的研制 速。感应电动机的变频调速由w v f 变频变压控制的u 废频控制发展到矢量控制变 频、直接转矩控制等，控制手段的不断改进提高了电动机的恒转矩输出范围和动静态 特性。在变频器中啪定控制变频方法应用广泛，而矢量控制变频由于其运算量大， 结构复杂，应用在对电动机动静态性能要求较高的场合。 1 1 3 c a n 总线技术的发展 为了满足日益复杂的工业现场需求。工业生产中对阀门的控制要求也越来越复 杂。从传统的模拟量信号控制到现在的基于总线的网络通信、从单台的电动执行机构 到多台的执行机构网络、从简单的阀门调节发展到现在远程智能调节，电动执行机构 的网络化成为发展的必然趋势。 现场总线技术在执行机构中的应用使执行机构由独立的仪表变为自动控制系统 的一个网络节点。通过现场总线为纽带，将多台执行机构连接成可以相互沟通信息、 共同完成自控任务的网络系统和控制系统。在现场总线中，c a n 总线是现场总线中的 应用热点，c a n 总线支持分布式控制和适时控制的串行通信网络。由于c a n 总线具有通 信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低 等特点，越来越受到人们的关注。c a n 总线构成的网络各节点之问的数据通信实时性 强，并且容易构成冗余结构，提高了系统的可靠性和系统的灵活性哪“”。目前c a n 总 线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力。因此，将c a n 总线应用于电动执行机构 中具有良好的发展前景。 1 1 4 智能电动执行机构的特点 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的发展趋势。智能化电动执行机构主要有如下特点i l l ： ( 1 ) 采用先进微机和数字显示技术，以智能伺服放大器取代传统伺服放大器， 以数字式操作器取代原有模拟指针式操作器： ( 2 ) 功能强、使用方便，具有自诊断、自调整等功能； ( 3 ) 对阀门采取“柔性”打开和闭合，避免对阀门造成冲击。为了适应复杂的 现场环境，在打开和关闭阀门的过程中，实时追踪力矩的变化，针对不同的设定，做 出合理判断： ( 2 ) 对阀门开度的控制方法多样，以适应不同的控制要求； ( 3 ) 对电机采取多种保护措施，以避免意外情况发生时，发生事故； ( 4 ) 具有多台电动执行机构协作、网络化的功能。 因此，本课题设计了一种自动化程度较高的智能变频执行机构，使得电动执行机 构使用更加安全、操作更加方便、控制更加精确、成本更加低廉。电动执行机构的应 用前景十分广阔，而国内的电动执行机构存在智能化程度低、电机控制方式简单等问 题。本课题将电机的变频调速控制技术、c a n 总线网络的功能应用在执行机构之中， 南京理工大学硕1 ：论文 智能变频屯动执行机构的研制 研制智能化的变频电动执行机构，具有很好的市场前景。 1 2 课题背景及意义 智能变频电动执行机构的研制源于本教研室和无锡智能自控工程有限公司合 作的c r d 电动执行器的研制项目。在过去的一年里，师兄师姐的硕士论文做了不 少工作，但是还存在以下问题： 阀门开度的检测出现失步，容易丢失脉冲，检测精度比较低； 系统功耗过大，不能满足电池供电的要求； 模拟量( 4 2 0 m a 和i - 5 v ) 控制精度在3 左右，没有达到1 的控制精度要 求； 电动机的交频控制方法采用s p w m 方式，电压利用率较低，谐波分量大。 变频模块电路的i g b t 和驱动电路分离，成本很高，电路调试困难。变频运 行时，i g b t 模块发热量大，模块容易损坏； 现场总线扩展功能没有实现； 电动执行机构的参数设置界面比较混乱，控制系统软件运行不稳定，程序容 易跑飞； 电动机的安全保护功能没有实现。 本论文在他们论文的基础上，针对存在的问题，做出进一步的改进设计和应用研 究。虽然智能变频电动执行机构在国外已经有产品上市，但是由于其价格昂贵，维修 困难一直制约着电动执行机构在我国工业上的应用。国内也有厂家在研制同类的产 品，但是以继电器型为主，属于低端产品，智能变频型还罕有产品出现。因此，研制 具有自主知识产权的智能化变频电动执行机构对打破国外的产品垄断和价格壁垒以 及发展我们的民族产业，使产品自主化具有重要的意义。 1 3 本文的主要工作 本文以工程项目的技术要求为根本，探讨了电动执行机构的发展概况，设计了电 动执行机构的样机，并对研制样机所采用的技术手段进行了详细的研究，具体研究工 作如下： ( 1 ) 在原有样机设计方案的基础上，针对实验中存在的问题改进和完善了电动 执行机构的整体设计方案； ( 2 ) 研究了本系统中所采用的d s p 的架构、性能和特点，依照本系统所要完成 的功能，完成了基于d s p 的软硬件设计： ( 3 ) 研究了电动机变频控制所采用的s v p w m 变频方法，详细阐述了s v p w m 的原理、计算方法和基于d s p 的软件实现，编制了s v p w m 实时开环运动控制 的程序，实现了5 - 1 0 0 h z 范围内的变频。硬件上，对基于口m 为核心逆变单元 的电路，进行了详细的研究，并完成了电路板的制作，通过实验验证了设计； 南京理工大学硕士论文智能变频电动执行机构的研制 ( 4 ) 设计并编制了电动执行机构的控制系统软件，给出了菜单目录的设计思想 和各个子程序的流程图； ( 5 ) 通过外扩c a n 总线驱动器的方式，实现了c a n 总线数据链路层和物理层 的连接，并通过实验实现了c a n 总线通信； ( 6 ) 设计并制作了变频板、d s p 主板、4 3 0 板、开度检测板、c a n 总线扩展板 等( 见实验调试章节照片) ： ( 7 ) 针对电动执行机构的功能，做了大量的实验，并对实验结果进行了分析， 对设计存在的问题进行了研究并改进了设计。 6 南京理工大学硕j ：论文 智能变频电动执行机构的研制 2 执行机构总体设计 2 1 电动执行机构的设计要求 按照合作方的技术要求，设计的电动执行机构要具有使用方便、性能稳定可靠、 控制部分紧凑合理、其内部各部分之间( 主控部分、电源部分、反馈检测部分、通讯 部分、输入输出部分、面板及液晶显示部分等) 既相互独立又互有接口连接、方便维 修和在线扩展等优点。 具体技术要求如下。： ( 1 ) 要求当输入4 ，2 0 m a ( 1 - 5 v ) 等信号时，经内部处理器运算和程序处理能控 * 0 3 8 0 v a c5 0 h z 功率在8 0 w i 5 k w 之间的三相异步电动机正反动作，电动机在对应 控制信号位置停止，不允许过头、出现来回往复震荡现象； ( 2 ) 能够对电动机进行速度设置： ( 3 ) 设计红外设定器用于对电动执行机构的各项参数进行设定。 ( 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 m a 电流信号或 1 5 v 电压信号输出； ( 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 电流信号或 1 5 v 电压信号输出； ( 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 操作旋转开关。仅在停止位置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 ) 显示部分采用背光液晶型：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、黄灯显示中间位置、绿灯显示全关，另外一个是红外设定器操作 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，f 包机内埋入p t l 0 0 熟电阻，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 ) 限位开关和力矩开关可以进行限幅设定，用力矩开关上下限幅用于打开较 紧阀门，可以软件设定上下限幅，当过限幅时切断电机电源； ( 1 2 ) 要有五组无电压转换继电器输出其功能可以软件设定( 见菜单要求) ； 7 南京理工大学硕士论文智能变凝电动执行机构的研制 ( 1 3 ) 系统参数设置采用菜单式，参数菜单及功能见菜单一览表： ( 1 4 ) 考虑反馈输出信号在区间的可调性( 调零和调满) 在开度o 或1 0 0 时， 两个位置可以设定，位置的检测通过与机械连动的磁性材料和霍尔元件来实现： ( 1 5 ) 预留现场总线接口电路，方便组网操作。 2 2 系统的整体设计方案 依据上述设计要求，对电动执行机构的功能，按照模块化的原则对整个系统作出 整体规划如图2 1 所示。从系统功能上，将系统分为七个模块：主控制模块、变频模 块、c a n 总线模块、红外发送与接收模块、模拟量输入输出模块、微功耗模块、电 源模块等。系统采用模块化设计的原则，使系统的整个电路紧凑合理，其内部各模块 之间相互独立又互有接口，使用性能更加稳定可靠，生产、检测、调试方便，具有较 好的扩展性和可维护性。对各模块的功能设计如下： ( 一) 、主控制模块 本模块是系统的核心模块，负责整个系统的控制和调度，其他模块通过它完成各 自对应不同的功能。本模块接受外围参数的设置、面板控制以及远程信号的控制，实 现电机的变频调速运行。本模块核心处理器采用t i 公司的针对电机控制的专用芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，其强大的事件管理器功能使得电机变频控制非常方便；同时具有高速 度和丰富的片内资源，使得本系统的设计结构清晰，满足模块化的设计要求。 ( 二) 、变频模块 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，系统对 电机的控制采用变频调速的方法。本模块主要功能是为电机运行产生三相电源，通过 调节电机转速实现电机的稳定运行和精确控制，是系统的重要组成部分。本系统采用 日本三菱公司新一代i p m 模块一1 2 0 0 v d i p - i p m 。适用于3 8 0 v ，3 7 k w 以下电机控 制。 ( - - ) 、c a n 总线模块 系统的c a n 总线通过外插卡式扩展设计。在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中，有c a n2 o b 的控 制模块。在外部扩展c a n 总线收发驱动器十分方便。通过c a n 总线接口实现多台执行 机构网络，方便统一管理。 ( 四) 、红外发送与接收模块 该模块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。接收器幽红外线接收器件前置放大电路和d s p 脉宽捕捉接口组 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。 南京理工大学硕i ：论文智能变频屯动执行机构的研制 ( 五) 、模拟量输入输出模块 模拟量输入输出包括4 - 2 0 m a ( 1 - 5 v ) 信号输入、电机力矩检测、电机温度检测、 开度和力矩变送等部分。这些模拟量信号通过滤波放大处理后，进入d s p 的a d 中， 是执行机构接受模拟量控制和检测执行机构运行状况的信号来源。本模块完成对模拟 量的变送和输出。 图2 i 系统总体设计图 ( 六) 、低功耗模块 工业现场中使用时，要求实时追踪阀门丌度的大小。但是工业环境情况复杂，在 外部电源掉电时，依然要保证检测到阀门的丌闭。因此，系统需要外加电池，在掉电 时，为开度检测和液晶显示提供电源。为了进一步的降低系统功耗，采用了t i 针对 超低功耗应用的m s p 4 3 0 系列单片机，其丰富的片上资源和多种处理器运行模式使得 系统设计方便，功耗很低。在电池供电时只有单片机工作，控制着液晶显示和阀门 的开度检测。 ( 七) 、电源模块 系统的电源模块负责提供系统的工作电源 实现将现场的工业电源，通过变压、 9 南京理工大学硕j ：论文智能蹙频啦动执行机构的研制 整流、滤波、稳压电路，把高压交流电变为系统需要的低压直流电。为了提高系统的 安全性和抗干扰性，在强电和目5 电之间采耿隔离手段，避免交流干扰引入控制系统中。 2 3 系统子模块设计 2 3 1 主控模块 主控模块以t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s 卜1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心处理 器。t m s 3 2 0 l f 2 4 x 系列是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 家族中最新的、功能最强大的d s p 芯片。其高 达4 0 m i p s 的处理速度和丰富的外设功能使其非常适合嵌入式控制系统的应用。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有如下特点【2 ”】： 两个时间管理器模块e v a 和e v b ，每个事件管理器均包括如下资源：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制通道，可以实现三相反相器控制，p 哪的 中心或边缘校正、可编程p w m 死区功能、对外部事件进行定时捕获的3 个捕获 单元、片内光电编码器接口电路、1 6 通道的同步a d 转换器： 可扩展外部存储器，总共具有1 9 2 k 字1 6 位的空间。程序、数据存储空间和 i o 空间分别为6 4 k 字； 1 6 个通道l o 位的a d c 转换器，最快转换时间3 7 5 n s ； c a n 2 0b 模块，即控制器局域网模块； 串行外部设备接口s p i 和串行通信接口s c i 模块； 高达4 1 个可单独编程或复用的g p i o 引脚； 通过t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的资源可以看出，其丰富的外设接口对实现本系统的功能十 分有用，非常适合本系统的需要。 主控模块设计主要包括d s p 外存储器扩展、时钟和锁相环设计、看门狗和复位 电路设计、开关量输入、通信接口、开关量输出、红外接口和与2 4 c 0 4 的通信等部 分。 2 3 2 变频模块 变频调速控制方式对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要 求，对电动机提供的电压、电流、频率进行控制，从而达到负载要求的。本系统采取 交一直一交的变频方式，其控制原理框图如图2 2 所示。三相交流电经过整流桥变换为 直流电，滤波电路消除电源的纹波成分后，通过d s p 生成的p w m 信号控制逆变模块的 开关器件按照设定的变频控制方法将直流电变换为所需要的交流电。 变频模块的核心元件是逆变器件。随着电力电子技术的发展，逆变器件从单一的 开关器件发展成为将开关元件集成在一个模块中的功率模块i g b t 。将i g b t 和其 驱动电路集成在一个模块中，称为智能功率模块”1 。智能功率模块的出现大大简化 了系统设计，降低了系统的成本，提高了抗干扰性。三菱公司的智能功率模块一 0 南京理工大学硕j ：论文 智能变频电动执行机构的研制 d i p i p m 系列，是专门针对中小功率变频器而设计的新一代变频模块4 。本系统中采 用d i p - i p m 系列中的p s 2 2 0 5 x 作为逆变电路的核心器件，使得系统结构十分紧凑。 整流逆 直流电 变 必 滤波= = 二二今 模 块 ，、 d s pt i t 匿 图2 2 变频模块原理图 在变频控制方法上，u f 恒定控制是最成熟、最常用的控制方法。u f 控制是在 改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽 的调速范围内，电动机的效率和功率因数不下降，在变频中得到了广泛的应用。常用 的u f 恒定控制方法是正弦脉宽调制( s p w m ) 又可细分为：电压型脉宽调制、电流型 脉宽调制和电压空间矢量( s v p w m ) “州”。本系统采用电压空间矢量的控制方法。电 压空间矢量从电动机的角度出发，目标是使电动机产生圆形磁场，以驱动电动机运行， 具有电压利用率高、谐波分量小的优点。s v p w m 控制着跟于生成控制电动机的旋转磁 场，比正弦脉宽调制( s p 哪) 具有更高的电压利用率，并减少了高次谐波干扰。s v p w i d 的数学模型比较复杂，计算量大，本系统采用d s p 作为控制核心无疑是十分理想的选 择。 2 3 3c a n 总线模块 c a n 总线是近年来发展起来的现场总线技术，以其灵活的控制方式和低成本等特 点被广泛的用于复杂的控制系统中构成多层的、开放的自动化系统结构，也是被公认 的最有发展前景的现场总线标准之一。系统中c a n 总线通过外扩插卡的方式实现与外 部总线的连接，其实现原理如图2 3 所示。 c a n c a n c a n 控高速 收 总线 制 1 _ j 光耦 j 发 1 媒体 器 r 隔离 r 叫 器 装置 图2 3c a n 总线实现框图 南京理工大学硕上论文智能变频电动执行机构的研制 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部集成了c a n 控制器，支持标准格式和扩展格式的c a n 总线协 议“”1 。c a n 收发器采用p h i l i p s 公司的高速c a n 总线收发器件p c a 8 2 c 2 5 0 。其通信 速率可达1 m b p s 。c a n 控制器和c a n 收发器之剧通过高速光耦隔离，增加系统的抗干 扰性和可靠性。c a n 总线媒体装置可以是双绞线或者光纤。 2 3 4 红外发送与接收模块 红外发送与接收模块实现红外遥控器对执行机构内部参数的设定。红外遥控器实 现对按键的编码和发送，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对红外信号进行识别放大，通过d s p 的脉宽捕捉进入d s p 中，再通过软件解码，进行识别处理。 解 码 电 路 图2 4 遥控器原理图 实现原理如图2 4 所示：红外发送模块发出的脉冲调制信号，送至d s p 内部的信 号捕捉电路( c a p ) ，通过计时判断得到二进制数据，不同的按键操作会得到不同的数 据，从而转入不同的键盘服务程序，可以方便实现对执行机构参数设置的操作。 2 3 5 模拟量输入与输出模块 模拟量输入包括对电机电流、温度的检测，外部输入4 - 2 0 m a 、1 - 5 v 控制信号的 调理等。这些模拟量信号通过滤波放大进入d s p 的a i d 中，实现对执行机构工况的检 测和对电动机的控制。 模拟量输出主要实现力矩大小的变送和开度大小的变送两个功能，是执行机构对 外部的远程指示信号。显示了执行机构的位置状况和阀门状况。 对电机电流的检测是为了间接测量电动机的输出力矩。通过测量电动机的电流来 估算电机的输出力矩( 认为电动机运行时三相平衡 ，实现电动机的输出力矩控制和 阀门控制。 由于变频控制电动机运行时，电动机电流很大。需要选择低阻值、高电流和高稳 定性的取样电阻，康铜丝是理想的选择。在电路中串接段康铜丝( 阻值大小依据电 动机的功率而定) 进行电压取样，通过滤波放大后进入d s p 的a d 中。d s p 通过计算 得到力矩的大小，并依据用户的设定将其变送为标准的电流信号，以供远程指示需要。 力矩变送采用脉宽调制( p w m ) 的方式，通过滤波电路将矩形脉冲变为电压信号。 南京理工大学硕士论文智能变频电动执行机构的研制 调节输出脉冲占空比的大小就可以调控输出电压的大小。v l l 变换通过专门的集成电 路x t r l l 5 实现，如图2 5 所示。 康铜ii 滤 丝电l 一波 压取卜- 卅电 样i 路 放 人 电 路 a d 采 集 d s p 软 f 1 计算 p w m 脉 冲 图2 5 力矩检测和变送原理图 滤 波 放 大 v i 变 换 对电动机内部温度的测量实现对电动机的过温保护。当温度过高时，切断电动机 的电源达到保护电动机的目的。电动机中埋入p t l 0 0 电阻，通过电桥将p t l 0 0 电阻的 变化转变为电压输出，通过滤波放大进入d s p 的a d 中。 4 - 2 0 m a 和卜5 v 信号是外部输入的控制信号。对这两种信号转变为电压信号后， 通过滤波放大电路进入d s p 的a d 中。 开度变送将0 1 0 0 的开度信息变送为4 - 2 0 m h 的电流信号，其对应的高低位信 号可以通过执行机构内部软件设定。电路中通过脉宽调制将开度值转变为与之对应的 占空比，调节了输出的电压值，通过x t r 1 5 将电压转变为电流输出。 2 3 6 低功耗子系统 由于采用霍尔元件和磁性材料的开度检测方法，所以在开度检测时必须有系统电 源。在没有外部供电情况下。采用电池供电是解决问题的方法。这就要求系统的功耗 要很低，而完成执行机构工作的全部功能的d s p ，其工作电流在5 0 l o o m a 左右，显 然不适合在电池供电的情况下工作。因此，需要将开度检测和显示独立出来，构成低 功耗子系统以解决电池长期供电的问题。低功耗子系统解决方案如图2 6 所示。 l 时钟b i 蒹嘉b m s p 4 3 0 f 13 2 旧b 图2 6 低功耗子系统解决方案 低功耗子系统主要完成开度检测、液晶显示和与d s p 的通信三大功能。其选用 t i 公司推出的超低功耗单片机m s p 4 3 0 系列中针对微系统的一款m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 。 m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 只有2 0 个引脚，采用m s o p 封装。体积小，功能强大，其丰富的内部资 1 3 南京理工大学硕十论文智能变频电动执行机构的研制 源和超低功耗成为予系统的理想器件“”“。 2 3 7 电源模块 电源模块负责向系统提供各模块工作的电源。系统需要以下几组电源：1 ) 5 v i a ： d s p 模块电源；2 ) 1 5 v 2 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。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 o 5 a 经过整流滤波输和稳压模块稳定输出5 v 电压信号，作为d s p 控制板电源；两组 2 2 v 0 5 a 经过整流滤波和稳压模块稳压输出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 0 0 5 a 经过整流滤波和 三端可调稳压模块输出1 5 v 电源电压作为变频模块的驱动电源。 2 4 本章小结 本章以技术要求为蓝本，通过对各个功能的分析，设计了电动执行机构的整体方 案，提出了模块化设计的原则。将整个系统划分为主控模块、变频模块、c a n 总线模 块、红外发送与接收模块、模拟量输入输出模块、低功耗子系统和电源模块。在给出 各个模块原理的基础上，对系统各个模块进行了详细的设计，并通过设计框图说明了 其实现原理。 1 4 南京理工大学硕。j ：论文智能变频电动执行机构的研制 3 主控模块设计 主控模块是整个系统的控制核心，以t i 公司专门针对电动机的数字控制而推出 的数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心处理器【1 4 】 1 6 】。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是一 款为了满足控制应用而设计的d s p ，它把一个高性能的d s p 内核和微处理器的片内 外设集成为一个芯片，是一个1 6 位定点d s p 。其外设主要包括事件管理器a 和b 、 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，控制器局域网) 、串行通信接口和串行外部设备接口、 模数转换器( a d c ) 和系统保护( 低电压检测和看门狗定时器等) 。这些外设使得系 统的控