智能型阀门电动执行机构控制器的研制

作 者： 王晓明，刘大为，孙力，张云
摘 要： 介绍了一种具有新型的阀门电动执行机构的智能控制器的设计与开发。该控制器采用DSP作为主控制单元，采用矢量控制策略控制感应电动机，组成了一个集本地控制、远程控制、状态指示等功能于一体的智能系统，适用于各类工业控制阀。
0 引言

    智能型电动执行机构是将微电子技术以及通信技术应用到阀门的控制系统中，实现了阀门远程集中控制、双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与完善的保护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 系统控制策略

    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。为解决交流电机转矩控制问题， 20世纪70年代初由Blaschke F首先提出了的异步电机的矢量控制理论，其原理图如图1所示。通过坐标变换和磁场定向控制，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，从而实现两者之间的解耦，得到类似于直流电机的转矩模型，并可仿照直流电机进行快速的转矩控制和磁通控制，使系统动态性能得到显著改善，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。运用矢量控制已经成为当今交流变频调速系统的主流，将这一技术应用到电动执行机构的控制中来，极大改善了执行机构的控制性能。

图1　矢量控制原理图

    2 系统硬件电路设计

    系统的硬件原理图如图2所示。

图2 智能电动执行机构系统原理图

    2.1 中央处理单元

    选用电机控制专用信号处理芯片TMS320F240。该DSP具有20m/s的定点处理速度，片内自带程序和数据存储器、A/D转换、PWM波形生成、通信接口等。作为电动执行机构的控制核心，DSP担负着控制系统所有的信号处理：

    （1）接收外部控制信号，包括红外遥控输入、DC4～20mA或者DC1～5V控制信号、人机界面的输入。
    （2）根据接收的信号控制电机的起、停、正反转、电机转速、输出力矩，并能进行极限位置在线标定。
    （3）提供智能功率模块（IPM）的PWM控制信号，处理IPM发出的故障和报警信号。
    （4）处理电流、电压和位置检测单元发出的检测信号。
    （5）实时与人机界面进行异步通信，显示装置的各种工作状态及故障诊断信号。

    2.2 控制方式

    2.2.1 红外遥控

    红外线设定装置可以在不接触执行机构的情况下，进行系统参数的设定，包括设定阀门电动执行机构的阀门开度以及切换显示状态。

    2.2.2 手操器

    采用人机界面MD204L可编程文本显示器，按照485通讯协议，与DSP进行串行通讯，可以设定系统参数，控制阀门的运行以及显示执行机构工作状态。

    2.2.3 标准直流信号

    调节型电动执行机构的特点是能够根据给定信号自动调节阀门开度。将4～20mA直流信号作为指示阀门开度的给定信号，将阀门的开度转换为4～20mA电流信号，当二者等值时执行机构停止动作，当出现偏差时，电机按照给定速度、转矩运行，直到二者重新平衡。

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    2.3 功率单元

    智能功率模块（IPM）选用PM75CSA120，该IPM将功率开关器件和驱动电路集成在一体，内置过压、欠压、过流和过热等故障监测电路，并具有防静电保护措施，使得IPM成为驱动电机的较理想的功率器件。

    2.4 电流、速度以及位置检测

    选用电流传感器LTS25-NP检测IPM三相电流，采用光电码盘作为转速检测器件。编码盘与电机同轴连接，每转能发出一定数量信号，将这些信号送入DSP的正交编码电路，同时使能计数器，在采样时间内由计数器记下脉冲发生器发出的脉冲数，送给DSP，就可以算出这段时间内的平均转速。精密电位器检测电动执行机构的输出轴的位置信号，转换成电信号后送入DSP进行处理。DSP依据检测的电流、转速和位置信号，计算出需要的转矩电流与励磁电流，经过坐标变换，调整和控制IPM的输出。

    3 系统软件设计

    3.1 主程序设计

    控制系统的软件采用中断方式设计。在主程序中进行系统的初始化、控制方式选择、位置检测等工作，在中断服务程序中完成矢量控制算法与PWM的输出。

    电动执行机构的主程序流程图如图3所示，主程序主要分成以下几个部分：

    3.1.1 系统初始化

    系统上电后，首先进行初始化设置，包括I/O初始化、A/D初始化、EVA以及SCI初始化等，而后从EEROM中读取上次运行设定的参数值，包括行程初值、终值、速度、力矩以及控制方式选择标志位，并将这些参数存入数据寄存器中。

    3.1.2 选择控制方式

    DSP根据控制方式标志，进入相应的程序分支，可选本地遥控控制、手操器控制以及标准4～20 mA电流信号控制。3种控制方式可根据需要由控制者切换，切换方式简单可靠。

图3　主程序流程图

    3.1.3 指针跟随以及故障处理

    每个分支的循环中采样位置反馈信号，与上次采样值比较作差，差值转化为脉冲数驱动指针旋转，实时跟随阀位，直到电机停止，指针便指示当前位置，掉电后依然能够保持，旋转方向由差值的符号决定。当检测到故障信号时，系统停止运行。

    3.2 子程序设计

    子程序主要包括：矢量变换、行程在线标定、A/D采样、SCI通信、PWM输出等。矢量变换以及PWM输出在定时器的中断服务子程序中实现，流程图如图4所示。

    图4　中断子程序流程

    为适应不同的场合，阀门的行程要求可调，用户只要切换的遥控控制方式下就可自由设置阀门的行程，流程图见图5。

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    当系统处于手操器控制时，DSP与手操器遵循485协议进行实时通信，读取控制参数，同时显示当前状态。

图5 行程设定流程图

    4 结论

    介绍的智能型阀门执行机构功能完善、操作灵活，由于将矢量控制技术应用到执行机构的控制中，极大改善了控制性能，在同行业中具有领先水平。实验结果表明：该执行机构操作简单、安全可靠，行程控制、转矩控制等重要性能指标达到相关标准的规定，具有广阔的应用前景。