基于以太网的电动执行器设计和开发.pdf

基于以太网的电动执行器设计和开发 中 文摘 要 中 文 摘 要 基于以 太网的电动执行器是一种既能进行远程控制 又能 分散控制的新型执行 器 它具有智能控制水平高 结构紧凑 成本 低 易 于组网等 优点 因而 它在水利 电力 石油化工及现代农业等领域都有非常广阔的 应用前景 本文的 主要任务是设计基于以太网的电动执 行器 并对其相关 理论进行研究 主 要工作如下 首先 分 析电动 执行器的结构和工作原理 选用直流无刷电 机作为本设计的执行 电机 对无位置传感 器和有位置传感器的 无刷直流电 机控制器 进行设计 实现了电 机 的起动 正 反转 制 动和调 速控制 并具有转速负反馈 电流限制 欠压过热保护和 故障显示等功能 重点阐述了无刷电机驱动原理及驱动电 路外围 器件参数的 选择 其次 以S U M S U N G 公司的A R M 处理器S 3 C 4 4 B O X 为核心设计和实现了电 动执行器 的控制系统 移植操作系统u C O S I I 到 S 3 C 4 4 B O X 上 提高了 系统的多 任务处理能 力和实时性 使用D A 光电编码器 电 机控制器 A R M 处理器 L C D 触摸屏等组成 智能执行器系统 进行A D S 环境下的系统 软件编 程 重点阐述了 数字P I D 调速在执行 器系统上的应用 再次 研究和实 现了电 动执行器的以 太网 接口 通过对u C O S I I 嵌入式操作系 统与嵌入式T C P I P 协议的讨论研究 给出了以 太网 控制系统的软 硬件体系的 实现方 案 同 时 在软件设计方面详细论述了R T L 8 0 1 9 的驱 动及T C P I P 协议栈在A R M 上的 实现 关 键词 以 太网 电 动执行器 A R M T C P I P l C O S I 1 无刷直流电机 P I D 研究生姓名 彭芳 指导教师 张茂青 D e s ign a n d o n E le c tr i c Ac t u 的 嘴 B a s e d o n E t h e rne t A b s n a d D e s ig n a n d D e v e l o p me n t o n E l e c t r ic A c t u a t o r B a s e d o n I n d u s t r i a l E t h e r n e t Ab s t r a c t T h e e l e c t r i c a c t a t n r b a s e d o n E t h e r n e t i s a n e w a c t u a t o r w h i c h c a n r e a l i z e lo n g d is ta n c e a n d s c a tt e re d c o n tr o l I t h a s t h e a d v a n t a g e s o f b e in g i n te l lig e n t c o m p a c t a n d lo w c o s t T h u s h a s t h e b ro a d a p p lic a tio n p ro s p e c t in fie ld s s u c h a s w a te r c o n s e r v a ti o n e le c tr ic p o w e r a n d m o d e r n a g ri c u lt u re e tc T h e m a in t a s k o f t h is p a p e r i s to d e s ig n th e e le c tr ic a c tu a t o r b a s e d o n E th e rn e t a n d d o re s e a r c h o n r e le v a n t th e o r ie s T h e m a in j o b s a r e a s f o llo w e d F i rs t ly a n a ly z e th e s t ru c tu r e a n d w o r k in g p r in c ip le o f t h e e le c t ri c a c tu a to r S e le c t b r u s h le s s m o t o r a s a c t u a t in g m o to r a n d d e s ig n th e c o r r e sp o n d in g c o n tr o lle r th a t w it h a n d w ith o u t th e p o s it io n s e n s o r R e a li z e t h e e ff e c tiv e c o n tr o ls a n d fu n c tio n s s u c h a s m o to r s t a tin g m o t o r re v e r s in g m o t o r b r a k in g a n d s p e e d r e g u la t吨 s p e e d n e g a t iv e fe e d b a c k th e e le c tri c c u r re n t l im it a n d m a lfu n c t io n a l a r m e tc E m p h a s i z e th e d riv i n g p r in c ip a ls o f b r u s h le s s m o to r a n d th e c h o ic e o f t h e p e r ip h e r a l c o m p o n e n t p a ra m e t e r s S e c o n d ly d e s i gn a n d re a liz e th e e le c tr ic a c t u a to r c o n tr o ll in g s y s te m w h ic h t a k e s t h e S U MS U N G A R M7 M C U S 3 C 4 4 B O X a s c o r e T r a n s p la n t th e o p e ra tin g s y s te m C IO S 11 to S 3 C 4 4 b O X in o rd e r to im p r o v e th e m u lti ta s k p ro c e s s in g a n d r e a l ti m e p r o c e s s i n g a b ili ty C o n s tr u c t th e in te lli g e n t a c tu a tin g s y s te m u s in g D A p h o to e le c tr ic a l e n c o d e r m o t o r c o n tro lle r A R M M C U L C D t o u c h p a n e l e t c U n d e rt a k e th e s y s te m s o ft w a r e d e s ign in t h e I D E A D S a n d il lu s tr a t e th e a p p lic a t io n o f P I D a lg o r ith m in th e a c t u a to r s p e e d re g u la tin g F in a ll y r e s e a rc h a n d r e a l iz e th e E th e r n e t f u n c t io n o f t h e e le c tr ic a c tu a to r G iv e th e E th e rn e t c o n tr o l s y s te m s o ft w a r e a n d h a rd w a r e s y s t e m re a liz a t io n p la n th r o u g h d is c u s s in g th e p C O S II e m b e d d e d o p e r a t in g s y s t e m a n d T C P I P p r o t o c o l A t t h e s a m e tim e d i s c u s s 山 s o ft w a r e a b o u t th e R T L 8 0 1 9 d riv e a n d th e T C P I P p ro t o c o l r e a liz a t io n o n A R M k e y Wo r d s E th e rn e t E le c t ri c A c tu a to r A R M T C P I只 is C O S II B L D C M P I D Wr it te n 妙 F a n g P e n g S u p e r v is e d b y Ma o q in g Z h a n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 除文中已 经注明引用的内容外 本论文不含 其他个人或集体己 经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体 均已 在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律 责任 研 究 生 签 名 郁落 期 P S V V 学位论文使用授权声明 苏州大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 清华大学论文 合作部 中国社科院文献信息情报中心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 包括刊登 论文的全部或部分 内容 论文的公布 包括刊登 授权苏州大学学位办办理 研究生签名 导师签名 日期 刁 l w 日期 伽 邢 丁 飞 分 墓于以太网的电动执行公设计和开发第一t 绪论 第一章 绪 论 1 1引言 电 动执行器I 广泛应用于大型化工 石油 冶金 电 力 等行业 对压力 温度 流量进行调节 例如 在对阀门实现远程控制 集中控制和自 动控制的过程中 阀门 电动执行机构是一种必不可少的执行部件 通过对国内外同 类产品的分析研究发现 国内正在使用的各种电动执行器普遍存 在设备庞大 结构匹配不合理 控制精度较低 安全性不好 缺乏完善的故障处理等 装置 不能很好的实现人机对话 难于现场标定和维修等缺陷 不利于电动执行器产 品的更新和换代 已很难适应工业发展的需要 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 电动执行器在生产中发挥着重要的作用 因而对电动执行器的功能和使用要求也不断 提高 迫切需要智能化的新一代产品替代目 前使用的产品 以提高生产效率 随着微电子技术 电力电子技术 微机控制技术及通讯技术等现代科学技术的发 展 国外许多相关厂家长期对电动执行器的研究开发和改进 形成了新一代智能电动 执行器 增加了许多功能 并扩展了 它的应用领域 各项指标和性能也得到了提高 广泛应用于工业生产 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 嵌入式技术 电力电 子技术等先进技术 开发研制性能先进 功能完善 尤其是可对阀门实现远距离控制 现场操作 集中管理 以满足国内广大用户生产使 用的要求 适合我国工业生产和发展需要的新型智能电动执行器 形成我国自己的产 品 具有重要的现实意义 新型电动执行器大多将伺服系统与减速机构合为一体 并增设了 行程保护 过力 矩保护和电动机过热保护等以提商可靠性 还具有断电信号保护 物出现场阀位指示 和故障报替等功能 它可以 进行现场操作或远程操作 完成手动操作及手动和自 动之 间的无扰动切换 基于以太网的电 动执行器设计和开发 这一课题项目 正是基于此而产生的 它 来源于工程实际 具有重要的实际意义 其智能控制水平的提商 有助于提高国内电 动执行器的 产品水平 也有利于提高生产控制的自 动化水平 最终实现生产过程的智 能化 签于以 太网的电 动执行导设计和开发第一幸 绪论 1 2国内外研究概况 2 1 世纪已 经到来 人们将进入以 知识经济为特征的信息时代 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 器仪表行业有很好的发展 无论是在新产品的开发研制能力 产品科技含t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 9 6 多种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 9 6 多种的产 品实现了数字化 达到国际二十世纪八十年代末期水平 由于我国仪器仪表工业起步较晚 相对基础薄弱 尚属于幼稚而脆弱的产业 目 前我国 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 前我国高档 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 有我国市场6 0 以 上的份额 而国产分析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 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 故障报苦措施以 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需要进行参数的 现场调整 不能组成网络进行远程控制 目 前 国内 在执行器领域以引 进为主 进行了 一定的程度的消化和吸收 如鞍山阀门 厂引进了日 本的相关技术 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 在执行器智能 化方面做了一些探索 上海工业制动华仪器仪表研究所开发了 新型智能 电动执行器 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 荃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 I D 调节功能 但目 前仅是个别使用 没有形成产品 国际上现代化仪器仪表正向微型化 集成化 智能化和总线化迅速发展 处于领 先甚至垄断地位 由 于高新技术的迅猛发展 关键元件器件技术难关的突破 国外己 开发出新一代智能化电 动执行机构产品 形成许多系列 广泛应用于许多工业领域中 国 外仅美国 就有2 4 个研究所 公司所属 如R o c k w e l l 公司具有十分完善的测试基地 和设备 包括动态 抗展 紧急切断 可命性等多种试验设施 对产品进行多方面性 羞于以太网的电动执行县设计和开及第一t 绪论 能参数的测定 有限元法 电 子计算机技术 微机控制技术已 在电动执行器设计中广 泛得到应用 英国的R O T O R K 公司 德国S I M E N S 公司 美国的V A L T E K 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生产的智能化电动执行机构功能强大 简单可靠 技术先 进 代表着该领域的世界先进水平 1 3电动执行器的发展趋势 智能电动执行器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 被控对象的位移 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 直接接受电 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 近年来 数字技术和嵌入式系统技术的 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 是现代控制技术的具体运用领域之 一 今后电动执行器的发展趋势主要集中在以下几个方面 1 计算机控制 在过程控制中 以阀门为例 需要通过调整阀门的开度来调节流A和压力 通 常执行器按照外部传输来的控制信号驱动阀门 这些控制信号来自 控制系统的微处理 器 在电动执行机构中 增加带有智能控制的伺服放大器 其后是增加给定值控制功 能 现在 先进的阀门电动装置具有更完善的智能控制 可按给定值自 动进行 P I D 调节 控制流里和压力等过程变It 例如V A L T E K 公司的S t a r p a c 智能化阀门电动装 置能响应外部4 2 0 m A 模拟信号或经由R S 4 8 5 通讯口 发来的数字信号或按自 身程序设 定的 参数进行P I D 控制 2 安全措施 智能化电 动装置具有高度的自 身保护及系统保护功能 如装有三相电 机的执行机 构有可能因为相线接错而反转 导致执行机构和阀门 损坏 而智能型的电 动执行机构 则可以 通过监视电 源的相序以 及翰入控制信号的情况确保电 机正确起动 此外 在阀 门卡死的情况下 保护功能还可以 避免电 动机被损坏 在电动机通电 期间不断的检测 闷门的动作 若发现一定的时间内 不动作 就认为是卡住 控制器就发出 命令 切断 电 动机电 源并发出 替报 R O T O R K 公司生产的I Q 型智能化阀门电 动装置具有上述两种 功能 它装有相同步器 自 动相旋转调整装里 可确保I Q 的三相电 动机始终具有正 确的 相旋转电 源 其次如果阀门卡死 当启动信号发出7 1 5 秒后无任何的动作 玲 的执行器内部逻辑电路可将相应的触点断开 除了有自 身保护功能外 智能化阀门电 荃于以太网的电动执行县设计和开发第一章绪论 动装置还具有系统保护功能 即当某些部件出现故障或系统出现其它问题时 会自 动 采取应急措施以免发生事故 3 通讯功能 智能化阀门电动装置采用数字通讯的方法与主控制室相连 主控制室送出的可寻 址数字信号通过电缆被电动装置接收 电动装置的微处理器根据收到的信号对电动装 置进行相应的 控制 如美国的L I M I T O R Q U E 公司的C o n t r o l i n c 系统就是采用数字通讯 技术将各种设备连接成一个局部网络 L A N 一个典型的系统可以包括电动执行机构 计算机阀门 控制器 C V C 网络连线 网络接口 部件 N 工 U 以 及主计算机 N I U 与主 计算机之间采用标准的A S C I I 字符码通过串行口 进行通讯 此外 智能阀门电装允许 工程师进行远程监测 整定和修改参数或算法等 例如V A L T E K 公司的S t a r p a c 在出 厂时就被配有P C 软件 仪表工程师利用这些软件可以对阀门电 动装置编程 P C 与系 统之间通过R S 4 8 5 串 行口 按照经过修改的H A R T 协议相连 4 智能诊断 在阀门电动装置上装有一些附加的传感器 专门 用于故障诊断 而在电 路方面也 设置了各种监测功能 如电源相序和后备电池的电压检测 微处理器在运行中连续对 整个系统进行监测 一旦发现问 题立即执行预定的 程序 自 动采取应急措施并报错 而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测 当出现故障需要专家协助解决时 有的智能化阀门电动装置还可以通过调制解调 器与 专 家实时 联网 以 便 及时 地诊断 和 排除 故障 5 一体化的结构 一体化的结构把整个控制回路装在一个现场仪表之中 使控制系统的设计 安装 操作和维护等工作大为简化 且减少因 信号的 传输中的泄漏和千扰等因素对系统的影 响 提高可靠性 此外 智能化阀门电 动装置在结构设计上充分考虑到 抗恶劣工作环境的因素 其 组件都带有保护涂层以 防腐蚀 外壳采用密封式 经得 起温度 湿度的大范围变化和 振动冲击的考验 保证工作可靠 例如R O T O R K 公司生产的Q 3 0 0 系列电 动装置就带有 防 水保护和双 层密 封外壳 工作 温度 在一3 0 到 7 0 之间 从这些方面可以 看出 智能电动执行器的发展趋势 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 带通信的逐步取代不带通信的 数字控制逐步取代 药于以太网的电 动执行器设计和开及 第一章 绪论 模拟控制 基于以 太网的电 动执行器根据控制电 信号 直接操作改变被控对象的 位移 利用 微机技术和以 太网通信技术扩大功能 实现双向通信 P I D 调节 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 是现代电 动执行机构 的发展方向 1 4论文内容安排 本课题来源于工程实际 因此整个过程都遵循着面向实际工业应用的目 标 在 充分考查国内 外相同 或相关的电 动执行机构的技术现状和发展趋势的 基础上 详细分 析当前国内 有关生产厂家的产品特点和使用范围 认真研究其优点和不足 并结合国 内 用户的 使用环境和使用要求 研究开发新型 实用的智能化 数字化的电 动执行机 构 具体工作安排如下 第一章 介绍电动执行器的特点 国内 外发展状况 发展趋势 以 及本文的 研究目 的 和论文的内容安排 第二章分析电动执行器的结构和工作原理 并对各个组成部分分别进行了描述 包 括电 动执行器的 传动装置 执行电动机 控制器 以 太网 接口 人机界面等 第三章 选用无刷电机作为本设计的执行电 机 并对无位置传感器和有位置传感器的 无刷直流电 机控制器分别进行了设计 实现了电 机的 起动 正反转 制动和 调速控制 并具有转速负反馈 电流限制 第四章 主要设计和实现了电动执行器的控制系统 欠压过热保护和故障显示等功能 司推出的 1 6 3 2位 R I S C处理器 S 3 C 4 4 B O X 本系统采用的C P U 是S a m s u n g 公 首先 移植操作系统u C O S I I 到 S 3 C 4 4 B O X 上 提商了系统的多任务处理能力和实时性 为以 太网接口 的 实现莫定了 基础 其次 实现了 系统的 位置跟随功能 位置反馈信号使用数 字式测速元件一光栅编码器采集 人机界面设计采用了L C D 显示和触模屏输 入 可以 很方便地控制和观察电 动执行器的运行情况 第五章 研究和实现了电 动执行器的以 太网接口 通过对u C O S I I嵌入式操作系统 与嵌入式T C P I P协议的讨论研究 给出了以 太网 控制系统的软 硬件体系的 实现方案 同时 在软件设计方面详细论述了R T L 8 0 1 9 驱动及T C P I P 协议 栈在人 心上的实现 基于以太网的电动执行县设计和开及第 t 绪论 本文的研究工作具有重要的实际意义 主要目 标是完成基于以 太网的电动执行器 整个系统的设计和实验调试 本课题将重点解决电 动执行机构的远距离控制问题 即 能接受远程控制中心送来的 信号 并能回送给远程控制中 心信号 以 指示现场工作状 态 这是目 前开发新一代智能化阀门电动执行机构的重要内 容 墓于以 太网的电 动执行县设计和开发第二幸 电 动执行拐的总体设计 第二章 电动执行器的总体设计 2 1电动执行器的总体结构 本课题的选题及整个设计过程都遵循面向实际工业应用的目 标 所以 系统的总 体设计也自 始至终贯彻了 简单实用 操作方便 安全可靠 技术先进 的原则 圈2 1 整体结构示惫框图 智能电 动执行器的结构框图如图2 1 所示 系统从整体上可分为电 动执行器的 控 制电路 传动装置及反馈装置 由示意图可以得出 智能电 动执行器的控制过程是一 闭环控制 通过设定信号和反馈信号的比较值来控制电机运转 驱动阀门等动作 这 样可得到较高的控制精度 反馈装置由 两部分构成 光电编码器可以 精确地测出电 机 的当前转速 选用半闭环的方式是为了 避免机械变形带来的误差 位置传感器用于检 测减速装置是否正常工作 如果有故障发生 控制器能够及时发现并采取相应措施 电 动执行器的 控制电 路及以 太网 接口 是本文工作的重点 反馈装置和传动装置只作简 单介绍 2 2电动执行器传动装置的结构 执行器传动装置主要是在控制器的控制下完成设定动作的机械执行部分 主要由 电 动机 主传动机构 行程限 制机构 手动调整机构等部分组成 它是用于直接驱动 阀 门 的 12 1其结 构 示 意图 如图2 2 所 示 主 传动 机构 主 要由 谐波 齿 轮 减速 机构 和 输 出 轴等部分构成 电 动机的动力经减速器传递给输出 轴 目 前执行器常采用的减速机 构多为多级齿轮和蜗轮蜗杆传动 具有传动比小 体积大等缺点 谐波齿轮传动克服 了以 上缺点 具有以 下优点 传动比大而且范围宽 参数与啮合的齿对数多 传 动平稚 承载能力商 齿面磨损小而均匀 传动精度高 本减速机构采用的是径 向啮合式复波谐波齿轮传动 它包括波发生器 固定刚轮 输出刚轮 复波柔轮等 其传动路线为 电动机一一波发生器 复波柔轮 一输出刚轮 执行器输出轴 鉴于以太网的电动执行 设计和开发第二章 电动执行器的总体设计 波发生器采用的是凸轮式波发生器 这种波发生器可使柔轮和刚轮的呛合达到理想状 态 运转平稳 精度高 效率也较高 而且由于柔轮内的应力分布状态得到改善 因 而承载能力也较高 适用于对传动精度要求较高的场合 构件4 是固定刚轮 其自 身 的固定是通过蜗轮蜗杆机构的自 锁来实现的 起到固定柔轮的作用 以 使谐波齿轮 传动 波发生器 柔轮和输出刚轮 构成行星机构 输出刚轮通过一定的 方式与输出 轴 形成刚性连接 从而完成运动的输出工作 输出角位移 1 位里传感器2 电动机 3 复波柔轮 弓 一固定刚轮 蜗轮 6 蜗 杆 6 辐出 刚 轮 一 辘出 轴任 一 齿 轮1 牙 一 齿 轮2 圈2 2执行器结构简图 手动调节机构的机构示意图如图2 3 所示 供安装调试和处理故障等需手动时使 用 在电 机停止工作时 波发生器是固定的 此时谐波齿轮亦是行星机构 手动调节 蜗杆则可带动蜗轮 固定刚轮 转动 通过谐波齿轮机构 从而使输出轴角位移发生改 变 实现手动调节 I 胡杆2 手动调节部分3 拐轮 固定刚轮 圈2 3手动调节机构简图 位置反愤及行程限 制机构用于提供位置反馈信号给嵌入式控制器 并在控制对 象达到全开或全闭极限位置时 触发行程开关 由 程序控制使电机停止转动 起到二 荃于以太网的电动执行器设计和开发第二t 电 动执行器的总体设计 次保护的作用 位置反 谈及行程限 制机构示意图 如图2 4 所示 电动执行机构的输出轴通过齿轮 I 齿轮 I I 及齿轮组带动精密电位器 5 转动 这样电 位器以 一定的 传动比 随输出 轴转动 精密电 位器转动角度的改变直接反映为输 出电 压的线性改变 从而以电 压信号的形式将开度变化反馈到微处理器 凸 轮工 和凸 轮n两者的尖端相差一定的角度 分别对应于阀门的 全开和全闭的极限 位置 同时 两者分别与行程开关的 两个常开触点相连 在执行器的控制对象到达极限 位置时 常 开触点闭 合 由 微处理器读取该信号 用程序控制电 机停止 起到二次保护作用 I 齿 轮I 2 愉出 轴 3 一 轴 4 一齿轮组 5 电 位 器 6 凸 轮I 7 凸 轮I I 8 齿轮I I 图2 4 位里反锁及行程限 制机构 2 3电动执行器的执行电机 司 执行电动机是执行指令运动的电气机械或元件 在控制技术中 常用的执行电机 按电机的原理来分 主要有直流电机 交流同步电 机 步进电机 开关磁阻电动机 交 流异 步电 机 等五 大 类 18 1 一 个多 世纪以 来 电 动 机作 为 机电 能 量转 换装 置 在现 代 工农业生产和日 常生活中占 有重要的地位 有着广泛的 应用 在所有的执行电 动机中 直流电 动机的工作特性最好 因此 在要求高的调速装置的 控制系统中 都是选用直 流电动机 和其他电 动机相比 直流电 动机体积小 效率商 出力大 起动转矩大 过载能力强 动态特性好 控制方便 但传统的直流电 机均采用电 刷与换向 器 以 机 械方法进行换向 因而存在相对的机械摩擦 由 此带来噪声 火花 无线电的 千扰以 及寿命短等致命缺点大大限 制了直流电 机的 应用范围 致使目 前工农业生产上 大多 数采用三相异步电 动机 随着社会的的发展 科学技术的进步 新型的 直流电 动机 无刷直流电 动机问 世 无刷直流电 动机保持了 普通直流电动机良 好的调速和起动特性 又具有寿命长 可靠性高 无换向火花及嗓音 功率密度大 反馈装置简单 控制结构简单 输出转 羞于以 太网的电动执行县设计和开发第二章 电 动执行公的总休设计 矩大 成本低等优点 同时 还以体积小 重量轻 运行效率高 可靠性高等优点在 航天 机器人 数控机床 家电等领域得到了广泛的应用 在国外 无刷直流电 机的生产和应用取得很大进展 在大功率无刷直流电 机方 面 工业级的 无刷直流电 动机及驱动系统已 达到7 3 5 9 1 8 7 5 的功率范围 已 经占 据了 不同的 应用领域 在国内 我国的无刷直流电动机的研究己 经由 科研转向 生产 逐渐 形成系列的产品 1 无刷 直 流电 机 基本 结 构 19 1 传统无刷直流电 动机结构原理如图 2 5 所示 它主要由 永磁电机本体 电 子换相 器和转子位置传感器三部分组成 电子换相器 一 图2 5永磁无刷宜流电机结构原理图 永磁电机本体 永磁无刷直流电 动机的电 机本休由 定子和转子两部分组成 定子绕组一般分为三 相且多采用整距集中式绕组 转子则由 永磁钢按一定的极对数组成 转子磁钢的形状 呈弧形 磁极下定转子气隙均匀 气隙 磁通密度呈梯形分布 本系统所用的电机为三 相三对极稀土永磁电 机 采用稀土永磁材料做磁钥具有很高的 剩余磁通密度和很大的 娇顽力 此外 稀土永磁材料的磁导通率与空气磁导通率相仿 对径向结构的电 动机 交轴和直轴磁路的磁阻 均较大 可以 最大限度地减小电枢反应 通常在额定负载内 气隙磁场密度和电 枢电 流无关 转矩和电 流呈线性关系 无刷直流电 动机的转子结构 即 有传统的内 转子结构 又有近年来出 现的盘式结构 外转子结构和线性结构等新型 结构形式 伴随着新型永磁材料钦铁硼的实用化 电 机转子结构越来越多样化 无刷 直流电 机正 朝着高力矩 商精度 微型化和耐环境等多用途方向 发展 电 子换相器 电 子换相器是由 功率开关和位置信号处理电路构成 主要用来控制定 子各绕组通 电的顺序和时间 无刷直流电动机本质上是自 控同步电动机 电机转子跟随定子旋转 琳场运动 因此 应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电 使之产生旋转的定子磁 签于以 太网的电动执行县设计和开发第二幸电动执行石的总体设计 场 无刷直流电 动机的 三相绕组中通过的电流是1 2 0 0 电角度的 方波 绕组在持续通过 恒定电流的时间内 产生的定子磁场在空间是静止不动的 而在开关换相期间 随着电 流从一相转移到另一相 定子磁场随之跳跃了 一个电角度 而转子磁场则随 着转子连 续旋转 这两个磁场的 瞬时速度不同 但是平均速度相等 因此能 保持 同步 无 刷直流电动机由于采用了自 控式逆变器即电 子换相器 电机输入电流的频率和电 机转 速始终保持同步 电机和逆变器不会产生震荡和失步 这也是无刷直流电 机的优点之 位置传感器 位置传感器在无刷直流电 动机中起着检测转子磁极位置的作用 为功率开关电路 提供正确的换相信息 即将转子磁极的位置信号转换成电 信号 经位置信号处理电路 处理后控制定子绕组换相 由于功率开关的导通顺序与转子转角同步 因而位置传感 器与功率开关一起 起着与传统有刷直流电机的机械换向 器和电 刷相类似的 作用 位 置传感器的种类比较多 可分为电磁式位置传感器 光电式位置传感器 磁敏式位置 传感器等 电 磁式传感器具有输出 信号大 工作可靠 寿命长等优点 但其体积比 较 大 信噪比 较低且输出 为交流信号 需整流滤波后才能使用 光电 式位置传感器性能 比 较稳定 体积小 重量轻 但对环境要求较高 磁敏式位置传感器的基本原理为霍 尔效应和磁阻效用 它对环境适应性很强 成本低廉 但精度不商 除了上述的几种 传感器外 还可以通过检测电机相关的信息量 通过处理后得到位置信号 实现位置 传感器的功能 即用无位置传感器控制方式取代传统的有位置传感器 第三章将详细 描述有位置传感器和无位置传感器的无刷电 机控制器的设计 a 无刷直流电 动机的 控制 无刷直流电 动机的 工作是通过 逆变器功率管按一定规律的导通关断使电 机定子电 枢产生按一定电 角度不断步进的 磁势 从而带动电 机转子旋转来实现的 无刷直流电 动机的电 子开关线路用来控制电 动机定子各相绕组的通电 顺序与时刻 定子相电流随 转子位置的 变化而按一定的次序换相 从而起到了 与机械换向 器相同的 换向 作用 无刷直流电 动机迅速推广应用的重要因素之一是近年来功率集成电 路的技术进 步 专用集成电 路克服了 分立元件带来的弊端 使控制电 路体积小 可靠性高 对于 特定环境下完成特定功能 规模化产生的无刷直流电动机来说 是首选方案 专用集 成电 路芯片上设It了 许多常用的 控制功能 这些控制功能都是由芯片特定引脚的逻辑 电平来设定或控制的 控制功能主要有功率控制 速度控制 正反转控制 起停控制 基于以太两的电动执行拐设计和开发第二章 电动执行摇的总体设计 和制动控制等 大多数无刷直流电 机控制专用芯片的功率控制采用三相脉宽调制 P W M 方式 少 数低功率的 专用芯片中 采用了线性放大器工作方式 两种工作方式相比 较 P W M 工作 方式的功耗小得多 但噪声明显增大 P W M 控制方式的专用芯片中 在电路内设置有 频率可设定的 锯齿波振荡器 误差放大器 P W M 比 较器和温度补偿基准电 压源等 对 于桥式全波驱动电 路 常只对下桥臂开关进行脉宽调制 通过改变脉冲占 空比 达到 改变施加于定子绕组的平均电压 从而达到控制电动机转速的作用 在有的专用芯片 中 可以 选择P W M 信号对逆变桥的不同 控制方式 使电动机在两象限或四 象限运行 和有刷直流电 动机相似 无刷直流电动机闭 环速度控制可以 采用模拟量控制方式或数 字锁相环工作方式 专用集成电路中都设有一些保护电 路 对芯片和电动机进行保护 常见的保护有 输出限 流 过电 流延时关断 控制电压欠电 压关断 结温过热报苦和关断 向 微处理 器主控系统发出故障输出信号 芯片的故障诊断包括了过电流 欠电压 过热之外 还包括传感器输入无信号或逻辑组合异常等 对于 H 桥和三相全波逆变桥功率开关管 电路设计上都有交叉保护功能 防止换相时上下桥臂出现直通 大多 数无刷直流电 动 机专用芯片 都能限 制输出 电 流 防 止起动或突 然反转时 过大 电 流引起功率开关管损坏和电动机永磁体的去磁石 表2 1 有位里传感 M B L D C J L 和无位I传感SB L D C M 特性的对比 表 名称有位置传感器的B L D C M无位置传感器的 B L D C M 起动力矩较大较小 控制电路较简单较复杂 电机结构较简单简单 安全可靠性较低商 可维修性较弱 强 无刷直流电 动 机控制系统可以 分为 有位置传感器的 和无 位置传感器的 两种控制 系统 有位置传感器的无刷直流电 动机包括电动机本体和转子位置传感器 无位置传 感器的无刷直流电动机只是电动机本体 有位置传感器的无刷直流电 动机起动力矩 大 任何位里均能起动 性能更接近直流电 动机 但是永磁无刷直流电 机转子位置传 感器的存在 增加了 成本 降低了 系统的抗千扰能力和可靠性 并且电 机引出 线的增 加也限制了 一些应用场合 无位里传感器的驱动方式安全可命性商 在很多特殊场合 签于以太网的电动执行月设计和开发第二章 电动执行器的总体设计 比 如空调中的压缩机电 机 压缩机内 部温度超过1 2 0 0 C 且充满了 高压冷媒 无法使 用传感器检侧转子位置 必须采用无位置传感器控制方式 表2 1 可以 看出两种控制 系统各有优缺点和适用场合 本文对两种控制系统分别进行了研究和讨论 2 4电动执行器的控制器 本文重点在电 动执行器的控制器及外围 功能电路的设计上 本执行器的 控制器的 主控制芯片选用的是S a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位R I S C 处理器S 3 C 4 4 b O X 控制无刷电机 的专用芯片 选用了 M C 3 3 0 3 5 芯片和M L 4 4 2 8 芯片 分别对有位置传感器无刷电 动机和无位 置传感器无刷电 动机进行控制 两种控制系统各有优缺点 在本文对两种控制系统分 别进行了研究 1 A R M A d v a n c e d R I S C M a c h i n e s l l 0 l A R M A d v a n c e d R I S C M a c h i n e s 既 可以 认为 是一 个公司的 名字 也 可以 认为 是 对一类微处理器的通称 还可以认为是一种技术的名字 1 9 9 1 年A R M 公司成立于英国 剑桥 主要出 售芯片设计技术的授权 目 前 采用A R M 技术知识产权 I N 核的微处理器 即我们通常所说的A R M 微处理器 己遍及工业控制 消费 类电子产品 通信系统 网络系统 无线系统等各类产品市场 基于人 心 技术的 微处理器应用约占 据了3 2 位R I S C 微处理器7 5 以 上的市场份额 A R M 技术正在逐步渗 入到我们生活的各个方面 2 A R M 徽处理器的 特点 采用R I S C 架构的A R M 微处理器一般具有如下特点 1 体积小 低功耗 低成本 高性能 2 支持T h u m b 1 6 位 A R M 3 2 位 双指令集 兼容8 位 1 6 位器件 3 大t使用寄 存器 指令执行速度更快 4 大多数数据操作都在寄存器中完成 5 寻址方式灵活简单 执行效率高 6 指令长度固定 3 八 心微处理器的 应用领城 人 心微处理器及技术的应用几乎已 经深入到各个领域 如工业控制领城 无线通 讯领域 网络应用 消费类电子产品 成像和安全产品等 基于以太网的电动执行月设计和开发 第二章 电动执行公的总体设计 2 5电动执行器的以太网接口与人机界面 以 往的电动执行器普 遍采用R S 2 3 2 通讯接口 由于R S 2 3 2 接口 标准出 现较早 难免有不足之处 主要有以下四点 1 接口 的信号电平值较高 易损坏接口电 路的芯片 又因为与竹L电 平不兼容 故需使用电平转换电 路方能与T T L 电 路连接 2 传输速率较低 在异 步传输时 波特率为2 0 K b p s 3 接口 使用一根信号线 和一 根信号返回线而构成共地的 传输形式 这种共地传 输容易产生共模干扰 所以抗噪声 干扰性弱 4 传输距离有限 最大传输距离标准 值为5 0 英尺 实际上也只能用在5 0 米左 右 随着科技不断的 发展 计算机网 络也在成级数的增长 目 前以 太网 络普遍采用 T C P I P协议 它的 高速 可靠 分层以 及可扩展性使它在各个领域的 应用越来越灵 活 设计带 有网络接口 的电 动执行器成为社会发展的必然趋势 所做的工作主要是在 嵌入式系统中 移植T C P I P 网络协议 在人机界面方面 过去电 机控制器大多 采用单片机控制系统 由于单片 机本身资 源有限 在人机界面方面 通常 是采用按键和L E D 显示 随着集成电路的发展以 及嵌入 式系统的 广泛应用 当 今社会流行L C D 以及触摸屏 手机就是一 个很好的 例子 所以 电机控制器采用 L C D以及触摸屏也是必然趋势 签于以太网的电动执行器设计和开发第三t 电动执行摇的电 机控制器设计 第三章 电动执 行器的电机控制器设计 3 1引言 在 所有的 执 行电 机中 直流电 机的 工 作 特性 最 好 同 它 具有体 积小 效 率高 出 力大 起动转矩大 过载能力强 动态特性好 控制方便等优点 无刷直流龟机既具 有直流电 机的 优良 特性 又具有寿命长 可靠性高 无换向火花及噪音 功率密度大 反馈装置简单 控制结构简单 输出 转矩大 成本低等直流电 机所不具备的 优点 无刷电 机按结构的不同分为有位置传感器和无位置传感器两种 两种系统各有优 缺点 并各有应用场合 有位置传感器的无刷直流电 机起动力矩大 任何位置均能起 动 性能更接近直流电 动机 常用在低速性能 要求较高的场合 无位置传感器的无刷 直流电 机减少了转子位置传感器 提高了 系统的 抗干扰能力和可靠性 无刷电机需要电 子换向 才能工作 起动 制动 正反转 调速等功能的实现使用 专用集成电路来控制和实现可以克服分立元件带来的弊端 并使控制电路体积小 可 靠性高 对于特定环境下完成特定功能和规模化生产的无刷直流电 机来说 专用集成 电 路是首选方案 其上设置了许多常用的 控制功能 他们都是由芯片 特定引脚的逻辑 电平来设定和控制的 控制功能主要有功率控制 速度控制 正反转控制 起停控制 和制动控制等 3 2基于M L 4 4 2 8 芯片的无位置传感器无 刷电 机控制器设计 无位置传感器无刷直流电机一直是国内 外较为热门的研究课题 因为省去了转子 位置传感器 所以电 机结构简单 体积小 可靠性高 在电 机体积小导致位置传感器 难以 安装的 场合或在恶劣环境中 位置传感器工作的 可靠性难以 保证的情况 更能体现 出 其独特的 优越性 这种电 机目 前己 广泛应用于小型立体声收录机 超薄型录像机以 及各种小型磁记录设备中 日 本生产的空调压缩机中 也广泛应用此类电 机 电机转子 采用稀土永磁励磁 稀土永磁体的强磁场 能使电 机在较低速度时就可检侧到电 枢绕 组反电势 在较低转速下实现电 机的自 同 步运行状态切换 从而加快电 机的起动过程 实现大范围的调速 针对不同的电 机性能和应用场合出 现了很多不同的控制理论和实 现方法 其实质都是通过在线检侧电机的参数或电 机运行时的物理量来推测转子的位 置从而实现永磁无刷直流电机的自同 步运行 在这些方法中较为成熟的主要有四类 反电势法 续流二极管法 电感法和状态观侧器法 反电势法主要有三种 过零法 羞于以太网的电动执行器设计和开发招三章 电 动执行思的电机控制器设计 锁相环法和积分法 本文选用了 M i c r o L i n e a r 公司的 M L 4 4 2 8 芯片 对无位置传感器无刷直流电机控制 系统进行了 研究和开发 该芯片的 采用