（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的智能电动执行机构的研制.pdf

南京理工大学硕士论文墓于dsp的智能电动执行机构的研制 ab s t r a c t 曰 “ 苗 c a c tu at o r isani 侧 四 恤 t 闪 u i p m e n t ofd ri v in gan dc ontio1 1 i n gv ai v e， w hi ch p l ays an汕po咖 t r o 】 e inthe a u to ln 涵onofm od。 旧p r edu c ti o n p n 义 ess ，soit iso ft e n c 目 l ed 山 e 址 川 d and 丘 旧 f ， of代 川 血 in g the 即t 叨坦 五 onofp 代 心 u c t i onp 戏 es s j 七 e 曰 ec眨 c 韶 tt 旧 t o r takesthe e l ec苗cai en 仪 g y as卯w er，acc e p tss 仁 田 ds 司s i gr 因( 幻 m u l ationquantity ordi gi 血 quant i ty ) c o r o e 名 n 勺 mthe le g u l a t or ，t hr o u ghto m s th es e si gnais tolh e o p p 喊tem ec h a ni 以 di spla c 曰 叭 e n t toc h 胡g e the o pe 口 ti onv ariablea u t o ma石 “ 山 y， l n or d ertda u to ll la t i c re gul a te the p axamet er比 fe r e n c ed，朋 d cau ses the p 找 心 u 比onp r oc ess toc a n 了on 似。 川 访 g to扣 p re d e . rr ni n ed众 叼 u 既 on th e b a 戚 s ofanal y 乙 n g pop u l ard ectri c a c tu a to r o v e r s eas， c o m b l 力 esw i thp r esed t si tu 毗onino urc o u n tr y，b asd e v elop edi n 记 l li g ent el ec 苗c a c tu a t o r b a 别 刃onth e solld s 切 t e r e l a y s 一t h es y s t e mselec tsd s psp 颐alfo rhi gh a c c u r 舰 y，址 gh 脚而rlnance el ec苗 c a c 加 a t o r c ontr o lli ng，in 0 川 ertoe n l l a n c e th e con tr d i p re c l si on 助dthe rcll a b il i tyofthe sys t e 风w e ado p t pri加pal andsub o rd i n a t e c ono . ll in g toc o n tr o l the s y s t 。 ” . at the s a n 哈 ti mej 七 e s o li ds ta t e r e l ays 眼 u s ed for c o n tl . l th e 卿 眺eofth ee l ec位c ain 比 c h i n e ry w h 1 ch isfitfor fr e q u ent s witc h vaiv e， andu 翎 the i n 允 劝 edr e m o t e c o n tr o l 娜hnol ogy to m ake the 。 详犯d o n ofthe s y s t e l l l s l 坟 lp le，s afe. the pow e r supptym o d u le p r o v i d 留山 e di fl 七 re n t r e q u es t ofthe pow ersou r c e for th e c o n 枉 o i c i rc u i 助e 、 el ec tric c i 代 ul t e x a n ” n es、 th e d s p chip l h e 在 lo d e choi cem odu lem akes the c o n v 喇 on ofthe long 劝5 . tn c e 、 the l ocal e 、 th es t 0 p .the叩即 u l gd e 庆 tingand 扛 a n sa比on m odu le 、山 c刃 q o r n e n t d e tec血gand。 习 叮 sa币on m odu led e “ t sys te u atany m o m e n 七 w h i ch a 名 s u n 活山 成q 钾 口 teofs y s 忱 m别 父 u n tyand 。 止 叭i t al s o c 比 in g th e d e t e ct 幼 卯目toe 】 ec的 c c u n 忿 nist gnai4 一2 0 n 认orv 0 1 ta g e s i gnalo s vfo r th e d e t 以 滋 d g ofth e 母 s te m .t h e r e n 幻 tec 叨。 ” i iy 幻 d u l e r ili z esth e c o n 妞 0 1 the o 详 翅n gofv al v e by s l 刀 。 u l ant si gnaland th e co n 仃 o isofth e 。 伴n and the cl 懈 ofth e v ai v e byon-o ffai gnai .t 七 e l c d 画 团u l e s h o w s p 创 欢 沼 即d the s ta .滋 邵目ofsysteln in 加ti o ul s t l c l y. a n e r coll 郎ti vi tyj o in t d e b ug andto ad 奴 活 仁由 es y s 怡 machi e v ed th eanti d p at ed 加 . c d onr equ es 仁 加 心 比onc er ta 迈班电 ect u s e v al u e . k e ， 5 : e k c 咏 ac切 以 to r 从 山 e d s ps o d s ta 蛇砒. ，血 以 比 d re 扛 幻 比c o n tl o 1 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， 不包含其他人己 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 “ 生 “ 名 : 畔一 词年 7 月 扣 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。 呼豁粤 可 年 7 月 扣 南京理工大学硕士论文基于d s p 的智能电动执行机构的研制 第1 章 绪 论 l l概述 l l i电 动 执行 机构简 介 当今世界工业高速发展，向自 动化迈进。工业发展的重点是能源、化工、钢铁、 运输和建筑，与工业发展有密切联系的是水、气( 汽、 油等流体的 应用，而流体在工 业上的 应用离不开 管网系统， 有管网必然有阀门。 要实现管网系统的工业自 动化管理， 更是离不开电动阀门这个管网系统中的执行机构。 阀门 控制装置也称阀门电动执行机 构，是驱动和控制阀门的重要装置。 电 动执行机构被广泛应用在电 力、 石化、 冶金等行业的过程自 动控制中， 是自 动 控制系统中 的“ 手脚， ， 如果电 动执行机构选择不当或质量不过关， 再完美的控制思路、 高超的控制策略也 难以 达到预想的 控制效果。 因此对其的可靠性、 安全性、自 诊断等 要求越来越高， 特别是价廉物美的国产智能电 动执行机构深受用户欢 迎和青睐。 近年 来，电 动执行机构得到迅速发展， 现在己 经广泛使用的 微机型电动执行机构， 它由微 处理器完成信号传递、 调节规律的 综合、 调节参数切换、 状态指示、 控制量的 输出 等 功能，以 提高调 节系统的性能、 使用和维护 保养等方面的 灵活恻46 4n。 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; 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。 电动执行机构是以电 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阁门的控制状态。 为了实现对阀门的精确稳定控制， 电机控 制技术非常重要。 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) 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， 但由于变频器 l 南京理工大学硕士论文墓于 d s p的智能电动执行机构的研制 的易发热的特性， 其控制时序不易控制， 当电 动执行机构频繁开关时， 电机就会烧毁。 所以系统选用适于频繁开关的固态继电器控制电动执行机构的可逆运行。 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。 l z国内外研究概况 1 么1国内 研究概况 执行机构和调节阀是目 前我国自 控系统中最薄弱的环节。 我国最早的气动调节阀 生产是在五十年代从仿制苏、 德产品开始的， 如n m、 n m t系列以 及b l ，n仪表配套 使用的电 动执行器， 但都结构单一，使用范围较窄。 到50年代末，开始研制无触点 电动执行器，如d kj、d k z角行程电动执行器。 d kj、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。 八十年代d d z . 11 ， d d z-lll型电动执行机构和伺服 放大器占主导地位.九十年代初，仪表行业组织了d d z 户 5仪表系列与执行机构的联 合开发，初步实现了 控制仪表及过程控制的数字化技术。 由于现有的国产电动执行机构存在着控制方式落后， 可靠性不高， 缺乏完善的保 护和故障报警措施以 及必要的通信手段等问题， 使得现有的电动执行机构不便于调试 和维护， 也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。 虽然我国现有的 执行器厂商有几十家， 但是由 于他们的电 动执行器产品在技术水 平、 控制精度、 智能化水平和安全性能等方面与国外先进产品的差距， 国内对高端电 动执行器的需求主要还是通过进口来满足。 目前，国内在执行机构领域以引进为主， 进行了一定程度的消化和吸收。 如鞍山 阀门厂引 进了日 本的相关技术厂所生产的系列电动执行机构， 具有相当 好的性能和控 制精度， 吴忠仪表七厂和四 川仪表十一厂又引进了 西门子的电 动执行机构。 国内一些 单位在执行机构智能化方面做了一些探索。 如上海工业自 动化仪器仪表研究所开发了 新型智能电动执行机构， 其主要特点是: 主要技术指标超过国内现有产品， 工作死区 小于0. 5 级， 基本回差和误差都小于1 级， 使用方便，具有自 诊断、自 调整和p id调 节功能， 但目 前仅 是 个别 使用， 没 有形成产品 阉. 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， 正r全系列角行程电 动执行机构与sr 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 16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; 南京理工大学硕士论文基于d s p的智能电动执行机构的研制 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。 系统采用固态继电器控制电机的可逆运行， 由于固态继电 器的触发过程是由直流 控制信号变成光信号， 再由 光信号变成电信号放大输出 触发，因而抗干扰能力极强. 此外， 装置动作 速度快 ( 毫秒级 ) 、 不 打火、 不污染电 源( 过零 触发 ) ，因 而非常适 用于 频繁启动、易燃易爆、 潮湿等环境恶劣的场合与自 控、远控设备中。 i j j国外研究栩况 目 前国外阿门 一般都能达到国际通用标准a 卫 1 ， 招 0 ， 月 5 和b s 等有关标准的规 定，各项性能测试数据齐全。阀门驱动装置品种多，电动、 气动、液动、电 一液联动 和气一液联动， 规 格齐全， 安全可靠。 国外电 动执行机构的 代表产品有费歇尔 一罗斯 蒙特公司 ( r s h e r 很o s m o u n 叨的f ie ldv数字阀门 控制器， 西门子公司(s iem 卫 n s) 的 s if 该 卫 t智能定位器和 5 p ) 5智能执行机构，瑞士 a b b公司向国内市场推出的 c o n t r a c ， o n t r a c智能总线型电动执行机构和英国r o t r o k公司推出的iq 智 能型电动执行机构等。这些智能执行机构品种，在死区上通常做得较小，如美国 poxbo r o 月 o r d a n公司产品为0 5 ; 控制上采用微机控制， 把微处理器与传统意义 的执行机构结合起来，使执行器能适应被调参数的变化而进行自 动补偿、自 动校准、 自寻故障、自 动调整、自 动进行指标判断与分析，具有自 适应、自诊断、自 保护等功 能;性能可靠， 调整方便，消除了d d z 1 1 电动执行器制动装置易失灵和高速较繁等 现象。 近年来， 随着微电子和过程控制技术的迅速发展， 电动执行机构也获得了 快速发 展， 特别是国际上一些先进的电动执行机构生产厂商， 相继推出了常规的和带h a r t 协议通信的智能电 动执行机构。例如英国 r o t o r k 公司于1 9 9 5 年推出了iq型智能电 动执行机构， 美国 j 切 心 an和德国 曰 卿 b ai ley在1 998 年 推出了 带h a 卫 t 协议通信的智能 电动执行机构。 由 此可以看出， 智能电 动执行机构的发展趋势为: 机电一体化结构逐 步取代组合式结构。 智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术， 运用红外线遥控的非 接触， 智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术， 运用红 外线遥控的非接触式调试技 术逐步取代接触式手动调试技术， 带通信功能逐步取代不带通信功能， 数字控制逐步 取代模拟控制。 目 前国外的电 动执行机构的生产厂家很多， 其中著名的有英国的侧 团 心r k公司， 德国的西门子、 l a 肠 叭 、 z m g ， 美国的f e y s t o n e 、 b a r 卫 y公司， 法国的b e r n a r d 公司，意大利的柏勒夫、 埃克美迅，日本的富士、安力 1 等公司。其产品有几十种结构 南京理工大学硕士论文 签千跳p的智能电动执行机构的研制 形式，上百种规格型号以 满足不同的生产要求。 英国罗 托克 (r0 叮 o r k )公司 于卯年代推出了智能型电 动执行机构 ( iq系列) ， 与普通执行器相比具有如下特点: 1 ) 便利的参数遥控设定功能; 2 ) 丰富的在线显示功能; 3 ) 完善的自 诊断及保护功能; 4 ) 先进的控制功能; 5 )较强的现场适应性。 当 然 r o t o c k 公司 iq系 列也 有自 己 的不 足: l)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 10度时， 执行器不 输出; 2 )变频模块部分容易损坏; 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。 l 3 课题的目 的及内 容 1 3 .1课题背景及竞义 新型智能电 动执行机构根据控制电 信号， 直接操作改变阀的位移， 有效地提高了 控制水平， 另外它还增设了行程保护、 过力矩保护、 电动机过热保护、 断电信号保护、 输出现场阀位指示和故障 报警等功能。 它可进行现场操作或远方操作， 完成手动操作 及手咖 自 动之间的无扰动切换。 智能电 动执行机构是现代电 动执行机构的发展方向。 目前， 我国各行业广泛采用的电动执行机构普遍存在着许多缺陷， 远远不能跟上 工业发展的需要。目 前国 产电动执行机构存在的缺点和不足: (l ) 执行机构不能 把有关自 身的 状态信息及其它故障信息与别的现场仪表和上位 机通信，不利于控制任务的分解和完成。 (2 ) 每一次阀位开 度和阀位输出电 流的 “ 调拿和“ 调清， 的校准，均需调整电 位器， 用测量仪表进行反复的 调试。 (3 ) 生产现场缺少阀 位电 流显示， 影响调试和故障判断。 (4) 执行机构在定 位过程中反复 惯性惰走，引发振荡。 (5 ) 作为执行机构 控制器的伺服放大器线路复 杂，故障率较高，维护困难。 随着能 源、 化工、 钢铁、 运输和建筑等现代工业高速发展以 及与其有密切联系的 水、 气( 汽 ) 、油等流体在工业上的应用， 管道系统中的电 动阀门在生产中发挥着重要 作用， 因而对阀门电 动执行机构的功能要求不断提高， 因此迫切需要智能化的新一代 4 南京理工大学硕士论文荃于d s p 的智能电动执行机构的研制 产品替代目 前使用的产品， 以 提高生产效率。 虽然国外己 经推出了一系列的智能电动 执行机构产品， 但国 外生 产的阀门电 动执行机构及其控制器价格昂贵， 而且很难和国 内目 前使用的电 动装置相兼容， 售后服务不完善， 零部件配套困难。 因此， 运用数字 技术、单片机技术、电力电子技术等先进技术，开发研制性能先进、功能完善， 适合 我国工业生产和发展需 要的 新型智能电 动阀门 执行机构， 形成我国自 己 的产品有着十 分重要的现实意义。 本人非常荣幸能 够借着攻读硕士的机会来研究智能电动执行机构， 同时借此机会 也实现了理论与实践的相结合。 在通过对智能电动执行机构技术的大量调研， 充分看 到了它的前景和趋势， 了 解了其在国内的现状和不足。 本着对此技术的 浓厚兴趣， 通 过大量的实验，进行智能电动执行器的开发和设计。本课题所研究的基于d s p的智 能电 动执行机构有很好的市场前景。主要具有如下的现实意义和实际价值: (l ) 系统提出 模块化的 设计思想: 采用n公司专用的电 机控制器t m s 犯o l 尺叨7 作为主控c p u ， t m s 3 20l fz粼 y7 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 火 d s p 控制器芯片代码兼容的同时，d s pz叨7 具有处理性能更好 ( 40m ip s ) 、 外设集成度更高、程序存储空间更大、 刀d 转换速度更快等特点，是电 机数字化控制的升级产品。 (2) 利用固态继电 器控制电机的可逆运转的技术设计智能电动执行机构， 非常适 用于频繁启动、易燃易爆、潮湿等环境恶劣的场合与自 控、远控设备中。 ( 3 ) 实 现了自 动化仪 表技术从模拟技术向 数字技术的转变，自 动化系统从封闭式 系统向开放式系统的转变. (4) 将控制、 显示等功能下载到执行机构中，更好的实 现了 其智能 化并简化了上 层系统. (5 ) 大大的缩短了我国电 动执行机构与国 外同 类产品的 差距。 (6 ) 为国民 经济各部门 ( 电力、冶金、石化、 建材、轻工、 造纸等行必提供新的 自动化装备，从而带来更高的效益。 (7 ) 振兴我国 仪表工 业。当 前世界上有名的仪表公司的 产品 进入我国， 市场竞争 激烈，只有保持技术上和国 外同步， 促进仪表产品结构的调整， 才能立于不败之地。 1 3 )裸月研究的主要内 容 本文主要包括以下几个方面的研究内容: 系统主要完成对阀门 的 控制。阀门 控制包括开度和力矩两 种方式: 检测电机转数来检测阀门开度大小; 南京理工大学硕士论文 基于dsp的智能电动执行机构的研制 检测力矩来判断阀门开、关是否到位. 本装置采用固态继电器控制电机， 其触发过程是由直流控制信号变成光信号， 再 由光信号 变成电 信号 放大输出触发， 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。远程信号包括远程模拟量 (4一2 0 m a和 1 s v) 和远程开关量可以实 现对阀门 的控制， 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。 另外， 系统支持 遥控器操作和液晶 显示功能， 从而实现各种参数的设置， 具有良 好的人机界 面。并且本系统具有c a n总线扩展，可以 方便实现组网操作。 1 、电动执行机构控制系统的设计 主控制器采用n公司的电机控制专用芯片 丁 m s320l f z 喇 y7， 此模块为系统的核心 部件， 负 责整个系统的资源分配。 其他模块通过它完成各自 对应不同的功能。 其内部 集成儿 勺、 p v 月 吸 、 f l a s h 、串口等外围 器件，因此整体性价比 较高。同时具有高速 度和低功 耗的 特点; 再加上其丰富的片内资源， 使得本系统的设计结构清晰， 满足模 块化的设计要求，还 有d s p 带有的s p i 通信口 很方便的实现了从d s p 到单片机ms p 4 3 0 之间的通信。系统对 d s p 及其外围配套电路进行了 设计，实现d s p 最小控制系统。主 要包括d s p 的电 源、 看门狗电路、复位电路、 存储器外扩电路、锁相环滤波电路等， 并设计了电 机的 智能 保护电 路， 解决了电 源掉相、 过热等电 机运行中的常见问题， 使 电 机能够平稳的 运行 在正常状态下。 2 、电 动执行机构的模块设计 系统主要由以下 模块组成: 继电器模块、 主控制模块、 电源模块、 力矩检测及变 送模块、 开度检测模块及变送模块、 远程模拟量控制模块、 远程开关量控制模块、掉 电检测模块、电 机内 温度检测模块、 遥控器控制模块、现场总线模块。 完成了各个模 块的设计、调试及模块中各个元器件的选用。 3 、继电器模块 继电 器的作用是 接收控制信号，控制电机的上电、断电，从而控制电机的正转、 反转和停转。 其控制原理是: 控制信号的输出接继电器的输入线圈，当输入信号为高电平时， 输入线圈中 有电 流， 继电器吸合， 控制电机和电 源 相接; 当 输入信号为低电 平时， 线 圈中无电 流，继电器放开， 控制电 机和电源断开. 系统主要探讨了 继电器的选型、 继电器的工作原理、 继电器的控制、 继电器保护 等问 题， 对系统进行 才 助 左 的分析并提出相应的 软、 硬件解决方法并对选用继电 器的优 缺点进行说明。 4 、电 源切换模块设计 主要探讨电 源与电池的有效切换。 系统要求在电源掉电后， 电源切换器件能自 动、 南京理工大学硕士论文基于d s p的智能电动执行机构的研制 高效、 无抖动的切换到g v电 池的供电中， 并能 有效 地切断单片机与其它系统的通道， 防止产生漏电流， 使电 池仅对单片机供电， 以 实时的显示电机开度值， 防 止在掉电 瞬 间数据丢失。 5 、低功耗设计 电 源掉电后，由电 池供电，在电 池供电的情况下， 系统要长时间的工作，实时检 厕阀 门 的 开 度 情 况 ， 这 就 要 求 系 统 功 耗 要 低 ， 从 而 保 证 掉电 后电 动 执 行 器 的 正 常工 作 。 原设计中电池的平均寿命为两天， 这在工程应用中没有实用价值。 由 于单片机的功耗 远小于d sp， 因此为了降低功耗， 系统改用主从模块控制。电 源掉电 后， 电 池仅对单 片机供电， 因此要尽量选用低功耗的单片机。 除了 采用低功耗的芯片之外， 还要通过 软件的优化设计、电路的改进优化等手段来进一步的降低系统功耗。 本系统主要探讨单片机的选型 ( 选择低功耗的单片机) 、单片机外围电路设计、 单片机与d s p 通信的软硬件设 计和调试以 及电 路和 软件的优化等问 题. 6 、软件设计 主要涉及系统软件总体设计、 继电 器控制、 力矩和开度值检测等软件的编写与调 试。并对d s p 编程语言进行了 选择与比 较， 采用混合式编程法， 可达到最佳的效果， 并对d s p 程序调试环境c c s 2 0( x)和单片机ms p 4 3 0 的程序调试环境叭 角 次 b ench进行 了相关的介绍. 南京理工大学硕士论文墓子d s p 的智能电 动执行机构的研制 第2 章 智能电动执行器的系统总体设计 2. 1概述 2 . 1 . 1 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 11 刀 lln: ( 1) 完成对3 80v a c 5 0 h z 功率在 8 0 w16加w之间三相异步电动机正反动作。 (2)完成对电 机的正转、反转、停止的控制。 (3) 接受4 一 2 如 认和1 s v 信号 控制，实现电 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) 接受开关量控制: 通过操作面板上开关或远程的开卿关阀开关控制，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 n 1 a 电流信号和 1 一s 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 1 l la电流信号和 1 一 s v 电 压信号输出。 (7) 控制面板上有就地、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)显示部分采用液晶背光型:默认设置下可显示阀门开度、阀门力矩、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，电机内埋入p t l oo 热电阻， 可用红外设定器 进行 (8 0 ，1 50)内 的 任意温度设定，起电 机保护作用。 ( 10) 一块g v 干电 池在无电源情况下，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。 ( 12)分辨率:1 %;元器件选用工业级。 ( 1 3 ) 有esd安全设置和保护功能，有时钟设置功能。 南京理工大学硕士论文基于d s p的智能电动执行机构的研制 ( 14)具有较强抗干扰能力 ( 例如:电 磁干扰、噪声干扰、温度影响) ( 1 5 ) 有初、次级设定 功能，每级都有密码保护和权限。 zj二功能分析 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: (l ) 系统要求电机能 够正转、反转和停转控制，因此系统采用固 态继电器控制电 机， 由于固态继电 器是由固体元件组成的无触点开关元件， 所以它较之电磁继电器具 有工作可靠、 寿命长、 对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗千扰能力强、开关速度 快和使用方便等一系列优点，所以由它控制电机有很好的市场前景。 (2 ) 为了实现对阀门 开度的检测， 系统需 要检测电机的转速，从而 对电机开度进 行实时的 检测，实 现电 机的 开度控制。 (3 )为了实现对阀门 力矩的检测， 系统需要检测电机的三相电流， 按照相应的换 算关系间接检测力矩的大小。 (4) 由 于开度和力 矩值需要变送输出，因此系统要设计开 度和力矩的 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， 经过刀d转换实 现电动机在对应控制信号位置时停止。 (6 ) 为了实现电 机远程开关量的控制， 系统通过 p v 几 以口 来控制电 机的全开或全 关。 (7 ) 为了 实现非侵入式操作要求， 系统需要设置大量的参数，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。 (8 )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。同 时为了 使系统在掉电 后能够长时间 工作， 系统 还需要选用一款低功耗单片机来检测和 记录开度，其他电路都保持掉电状态。 (9 ) 针对电 机内 部温 度过热的现象， 系统设 计了 温度检侧模块来实 时 检测电 机的 温度值。 (l 0) 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。 (l 1)为了实 现esd安 全设置和保护功能， 系统将esd信号通过d s p 的p w m 口 采集后送到电 机控制电 路， 实现电 机的esd保护。 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坚实的基础。 南京理工大学硕士论文 基于o s p的智能电动执行机构的研制 2. 2系统总体设计 2 么1系统总体设计 方案 在遵循模块化、抗干扰、低功耗、易操作和可扩展性等基本设计原则的基础上， 按照系统功能要求完成总体方案设计。 图2. 2. 1 为系统的 设计框图， 主要有以 下模块组成:主控制模块、继电器模块、 电 源模块、 力矩检测和变 送模块、 开度检测和变送模块、 远程模拟量控制模块、 远程 开关量控制模块、电源切换模块、 温度检测模块、掉电 检测模块、遥控器控制模块、 现场总线模块。 图2 . 2 . 1系统的 整体结构 南京理工大学硕士论文基于d s p的智能电动执行机构的研制 如图2. 2. 1 所示， 系统有三种工作模式: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， 液晶显示由 单片 机控制完成。 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的控 制，同时将检测的开度和力矩值变送成4 一2 伪 . a电流和1 s v电 压信号输出，以便 外围设备检测和监测. 掉电 检测模块负责 检测3 80v a c是否存在，当38o v a c电 源存在时d s p 和单片 机的电 源由电源模块正 常提供; 系统掉电 后， 检测模块会自 动将gv 电 池电 源提供给 单片机， d s p处于掉电 状态。 同时为了让电 机在恶劣的环境下平稳、 安全的运行， 避免电机的误触发， 系统采 用固态继电器控制电机的正反转运行; 同时注意由于固态继电器的工作特性， 需要外 加保护电 路。 各模块之间的连接选用接插件的连接方式。 为了方便各模块之间的接插件连接不 会出 错， 采用了 如下措施: 1 ) 采用不同的颜色的接插件，便于分辨: 2) 采用不同针脚的接插件，只有在正确的情况下才能接插成功，从而避免了出 错的可能性。 按照系统的功能要求，线路板共分为8 块: 1) 电源板:完成交流电源38o v到系统检测直流电源2 4 v 、芯片直流电源s v、 d s p直流电 源3. 3 v工作电压的变换; 2) 主控制板: 完成d s p 与各模块之间的信号传输、 d s p 外围电路及外扩r a m; 3 )继电器控制板:完成固态继电器控制电机的可逆运行; 4 ) a 山板:完成对开度信号的检测及脉冲开度信号的转换; 5) 本地操作板: 完成就地、 停止、 远程三种信号的 信号转换; 6) m s p 4 3 o 单片 机板: 控制开度检测与液晶显示及单片机外围电 路: 7 )液晶显示板: 液晶显示器及其外围电 路; 8) 遥控器板:按键及红外发射电路. 2. 3各子模块电 路设 计 2 3 .1l 6 p 模块 主控模块是系统的 核心模块， 负责整个系统的资 源分配， 其他模块通过它完成各 l 1 南京理工大学硕士论文基于d s p 的智能电动执行机构的研制 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 的智 能控制 。系 统主控 制模块选用 皿 公 司 电机专用 控制 c p u 卜-tms 3 2 0 l 斑川刀。 t m s32 0 l f 2 4 价具有以 下特点ll t21 叭 1 ) 采用高性能静态c m os 技术， 使得供电电 压降为3. 3 v ， 减小了控制器的功耗; 2 ) 3 0 m ip s的执行速度使得指令周期缩短到33ns (3o m h z ) ，从而提高了控制器 的实时控制能力; 3)两个事件管理器模块e v a和e v 卫 ， 能够实现三相反相器控制和p wm的对称 和非对称波形，对三相电 机的可逆运行控制以及其智能控制提供了 便利的控制接口: 4 )高性能10位模2 数转换器 ( a d c )的转换时间为5 0( b ， ，提供多达16路的模 拟输入; 5 ) 3 个捕获单元: 6)五个外部中断( 两个驱动保护、 复位和两个可屏蔽中断) ; 高达汉k b的f l a sh 程序存储器; 7) 可扩展外部存储器。由 于f l a s h不支持实时仿真， 只能将程序下载后运行， 这使得系统在开发调试阶段十分不便，因此需要外扩程序存储器 ( 地址范围为: 8 0 0()h 一 曰 下 凡) ， 调试时让d s p 从片外读取程序， 可以利用c c s 2 0 (x)实现在线仿真调 试，由于d s p 设有可扩展外部存储器，故系统实时调试方便易行; 8) 一个带4 个引脚的16位的同步串 行外围 接口 (spl) 模块。s pi是一个高速、 同步串行f o口，它允许长度可编程的串行位流 (l16位)以可编程的位传输速度 移入或移出 器件，因此便于d s p 与单片机的实时通信。 综上所述， t m s32 0 u 陀 4 07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 j 2继电 器控制模块 为了 适应电 机的 频繁开关阀 动作， 精确的控制电机的正转、 反转和停转， 系统采 用固态继电器控制三相电机的可逆运行。 固态继电器的作用是接受控制信号， 控制电 机的上电、下电， 从而控制电机的正 转、 反转和停转。 其触发过程是由 直流控制信号变成光信号， 再由 光信号变成电 信号 放大输出触发，因而抗干扰能力极强。固态继电 器 s s r与机电继电 器相比 有明显的 优点，它尤其具有工作可靠，无触点， 无火花， 寿命长， 无噪声， 无电磁千扰， 开关 速度快， 抗干扰能力强， 且体积小， 耐震动， 防爆， 防潮， 防腐蚀， 能与t n j ， d t l ， h t l等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电 流负载等特点， 因而具 南京理工大学硕士论文 基于d s p 的智能电动执行机构的研制 有很宽的应用领域， 并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域， 所 以系统采用固态继电 器控制电机具有实用价值。 继电器控制模块主要包括整流、 滤波、 数据缓存器以 及互锁电路等部分组成， 如 图2. 3. 1 所示: 交流电 源经整流、 滤波后变成直流电 源， 为固态继电器和d s p z 喇 刀提 供电 源。 5 个固 态继电 器接受来自d s p的p v 门 叭控制信号， 把三相电 源的两相对调一 下，实现电 源三相的 互换，从而控制电 机的正反转。为了实现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p v 八 以信号 输出，完成闭环控制。 固态继电器 开度检测 力矩检测 数 据 缓 存 器 匕)互 锁 电 路 图2. 3 . 1继电 器模块硬件结构图 2 3 3 电 源模块 电源模块负责向系统内部不同的元器件或驱动电路提供不同的直流电 源。 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。 为了提高系统的抗干扰能力， 将光电隔离技术应用于输入、 输出通道的隔离中， 为此 电源用多个稳压电源分别对各部分电路进行供电。 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. 3. 2 所示: 户 耽 协 粉少御 莽 孟尸丁一十一卜一一巡叼碑塑一一 爹 玉沁匕鲁一鼠 j 变压器输出 舀 豁糯三 整流滤波电 路稳压电路 图2 3 2 电源模块 按照系统要求， 变压器输入为3 80v a c ，输出有三组信号:两组22vj0 .s a经过 南京理工大学硕士论文墓于d s p的智能电动执行机构的研制 整流滤波输出3 0 v直流电压， 经过稳压模块( l m7 8 24) 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 源电压， 保证变送模块的驱动电阻不小于8 00 欧姆，如图2. 3 .2所示。 而 s v电压信号的输出 和图2 汉2 所示相似， 7 j v 1 0 .s a经过整流滤波输出1 0v 直流电压，再经过稳压模块 ( u嫂 7 8 05) 稳定输出sv 电 压信号，作为d s p 控制板以 及其它芯片的电 源电 压; 2 3 .4开度检侧及变送模块 ” 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，再经过简单的计算完 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， 圆盘边缘等间距安装6 个磁钢。 安装磁钢时， 应将其侧边与同心盘圆心共线， 且 两个霍尔传感器安装位置之间相差9 00， 这样就产生了两个相位相差如。 的正交信号。 通过检测这两个数字信号，可以对电机的正反转进行检测和控制。 霍尔器件输出的 正交脉冲信号经过滤波处理后 将a路脉冲信号与m s p 4 3 0 f12 32 的定时器a的计数时 钟源a c l k相连， b路信号与咒. 1 定时器a的捕获口 相连， 外 部中断 1 的服务程序根据pz. 1 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。 在经过计算就得到对应的开度值， 然后送液晶 显示屏显示。 正转 图2 3. 3正 交信号示意图 通过c ly u的定时计数器完成脉冲计数可以 计算出电机转动的转角。系统在参数 设置时， 根据现场阀门 的实际 情况确定阀门 开度为0 %( 不一定为全开) 和1 00%( 不 一定为全关) ，由此d sp 得到了全开度所对应的脉冲个数，当电机转动时，由霍尔传 感器得到的脉冲数由d sp 处理后，转换成精确的开度值。相反的，操作人员通过遥 控器送入 一个开度值后， dsp 立即 将它转换 成相应的脉冲数， 并发出指令使得电机精 确转动到相应的位置。 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 仓 叮 a电流信号和 南京理工大学硕士论文 基于dsp的智能电动执行机构的研制 1 一s v电压信号输出，因此系统还要设计变送模块。选用x t r l ls实现变送要求。 x t r i 巧 是专为t 朴 种制领域小2 伪 皿 a电流环设计的芯片，电流放大增益系数 为1 00。 它的供电电压为7 j v 侧 3 6 v ， 同时具有sv 的电源输出和2. 5 v的参考源输出， 这大大降低了系统设计的 难度，同时提高了电流环输出的精度。 2 )开度信号千扰问 题 系统调试中发现开度信号存在微小跳动问题， 因此系统在信号输出端串接磁珠消 除高频千扰，同时利用低通r c滤波电路实现对高频千扰