0 引言
在工业阀门驱动控制中,传统的电动执行器采用交流电机来驱动,调速性能较差。随着现代电子控制技术和电机控制理论的发展,无刷直流电动机(以下简称BLDCM)以其体积小、重量轻、效率高和控制精度高等优点,在执行器控制领域得到广泛应用。电动执行器应用领域的环境往往比较恶劣,很容易产生堵转,由于电机堵转电流很大,长时间的堵转则会烧坏执行器的控制器和电机,因此如何防止堵转是智能电动执行器控制的关键问题。
部分执行器通过电流硬件保护电路检测电机堵转来保护控制器和电机,虽然能在一定程度上解决堵转问题,但却不能适应不同的负载环境。为了解决这一问题,本文实际制作了采用霍尔电流传感器实时检测相电流的BLDCM驱动控制板,设计了电流滞环控制算法精确控制电流。BLDCM的相电流和输出力矩成线性关系,设定电流限幅值即可设定输出力矩幅值,从而实现执行器的力矩保护功能。
针对不同的应用环境,安装时只需通过智能电动执行器配套的手操器设定好力矩门限值。执行器在运行时,实时检测相电流,一旦超限则自动限制输出力矩,若长时间超过用户预设定门限值,控制器直接停止BLDCM,以保护阀门和执行器的安全。
1 BLDCM双环控制系统
BLDCM反电动势方程和转矩方程分别如下:
(1)
(2)
式中:N为电机定子每相线圈数;l为转子长度;r为转子内径;B为转子磁通密度;ω为电机角速度;i为相电流;L为相感抗;θ为转子角度位置;R为相阻抗。由式(1)可知,反电动势与转速成比例,当电机堵转时反电动势为零,无法抵消电机三相端的供给电压,会造成驱动板和电机电流的急剧上升,如果长时间堵转,必然会损坏驱动板和电机;由式(2)可知,转矩与相电流几乎成正比,所以通过控制电机相电流即可控制输出力矩。
传统的BLDCM转速控制采用速度环PID单闭环控制策略,无需电流内环控制即可实现转速的高精度控制,但是由于反馈电流未加入控制算法,很难实现力矩超限后自动限制输出电流。为了实现自动限制输出电流,引入电流闭环控制,采用双闭环控制方案:转速环由PID调节器构成,电流环由电流滞环调节器构成。
整个BLDCM控制系统框图如图1所示。
图1 BLDCM控制系统框图
图1中,根据给定与反馈转速的差值,经过速度环PID调节器输出给定相电流的参考值iref并对其限幅,超限则自动输出最大限幅电流值,然后根据6路换相原理,从当前霍尔状态解算出ABC三相应该导通的两相,应该导通的两相给定值赋值为iref,另外一相赋值为0。再结合反馈回来的相电流作差值并与设定的电流阈值作比较,控制输出6路PWM波。Simulink下构建的仿真模型如图2所示。
图2 BLDCM控制系统仿真模型
图2中的电流控制器模块如图3所示。
图3 电流滞环调节器模块
图3中的电流延迟调节模块如图4所示。
图4 电流延迟调节模块
通过设定图4中延迟模块参数来设置电流滞环阈值,从而可以设定电流环的控制精度。
设置BLDCM仿真参数:定子相绕组电阻R=1Ω,定子相绕组感抗L=0.02H,转动惯量J=0.005kg·m2,阻力系数B=0.0002N·m·s,极对数p=4,供电电源U=310V(DC)。
为了验证所设计系统的转速控制和抗干扰性能,系统空载起动,待进入稳态后,在t=0.04s时突然施加负载TL=5N·m。仿真得到转速、三相电流和输出电磁转矩曲线如图5~图7所示,起步阶段电磁转矩和电流未明显超过限幅值,参考电流的限幅作用十分有效,避免产生较大的转矩和电流冲击,延长了执行器的使用寿命,转速精度高,稳态误差小;加负载后驱动器增加电流来增大输出电磁转矩,以平衡负载,迅速恢复到平衡状态,抗干扰性能好。
图5 转矩负载下转速曲线
图6 转矩负载下电磁转矩曲线
图7 转矩负载下三相电流曲线
为了验证系统堵转时的力矩保护性能,给电机添加定速负载,起动时负载电机定速500r/min,当t=0.03s时,负载电机定速为零,模拟实际应用的电机堵转,电流限幅器限制输出电流为10A。仿真得到的三相电流和输出电磁转矩曲线如图8~图9所示,在负载电机定速为500r/min时,三相电流基本为零,输出电流为零;电机堵转后,电流急剧上升,但是由于电流限幅器的作用,将输出电流限制为20A,从而限制输出转矩,防止无刷直流电动机驱动控制板和电机过流而烧坏电机,同时控制器如果长时间检测到堵转,则停止电机并报错。
图8 固定转速负载电磁转矩曲线
图9 固定转速负载下三相电流曲线
2 硬件电路设计与实验
基于STM32设计了BLDCM驱动控制器硬件,硬件控制原理框图如图10所示。
图10采用光耦隔离芯片,将高压电路和低压电路隔离,避免高压电路对控制器的干扰。同时此控制器提供很完善的错误保护功能,具有IGBT过温保护、IGBT硬件过流保护、电机过温保护、总线电压欠压和过压保护功能。采用LEMLTS25-NP霍尔电流传感器,具有很高的测量精度,而且与高压端完全电气隔离,可靠性高,输出模拟电压可直接通过CPU的ADC端口采集,从而硬件上实现电流反馈控制。硬件调试平台和装配后的智能电动执行器分别如图11和12所示。
图10 BLDCM驱动控制器硬件原理框图
图11 BLDCM硬件调试平台
图12 智能电动执行器
PC端上位机调试软件通过BLDCM驱动控制板的串口设定参数和获取数据,获取曲线如图13~图14所示。
图13 实验转速控制曲线
图14 实验堵转电流曲线
图13中设定增速到1000r/min,由Hall传感器反馈转速逐渐加速到设定值并保持平稳运行,控制精度达到1%,经过一段时间后施加一个很大的负载时,转速被下拉,但是很快恢复到给定转速值,实验表明设计的BLDCM控制器具有很好的转速控制和抗负载性能。
图14是STM32通过霍尔传感器采集到相电流的数字量值换算得到的电流曲线。设定微控制器程序中的电流数字量限幅值为3500,对应限幅电流为7A。过大的电流限幅在长时间堵转时容易烧坏控制器和电机,所以采用7A电流限幅值作为试验。试验结果表明,在未堵转时由于试验台自身的转动惯量负载,会持续输出0.8A电流;堵转后达到期望的控制效果,控制器的限幅电流值在7A附近,起到电流限幅以保护控制器和电机的作用。
3 结语
本文针对智能电动执行器工程应用中遇到阀门堵转问题,采用双闭环控制策略,通过Simulink仿真验证了方案的可行性。提出了完整的硬件设计方案,并编程实现了BLDCM的电流环和转速环双环控制策略,经过实验验证了该方案的转速和电流控制的优良特性,主动限制输出力矩大小,成功解决了堵转导致驱动控制器和电机损坏问题。