智能型閥門電動執行機構控制器的研制

引言

    智能型電動執行機構是將微電子技術以及通信技術應用到閥門的控制系統中，實現了閥門遠程集中控制、雙向通信、PID調節、在線自動標定、自校正與完善的保護等多種控制技術要求的功能，有效提高控制水平，是現代電動執行機構的發展方向。

1、系統控制策略

    由于電動執行機構在運行中，要求有快速開啟和制動響應，閥門的定位精度要求高，并且在控制過程中，需要保持良好的轉矩控制，因此控制策略的選擇關系到系統的整體控制性能。為解決交流電機轉矩控制問題， 20世紀70年代初由Blaschke F首先提出了的異步電機的矢量控制理論，其原理圖如圖1所示。通過坐標變換和磁場定向控制，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之相垂直的坐標轉矩電流分量，從而實現兩者之間的解耦，得到類似于直流電機的轉矩模型，并可仿照直流電機進行快速的轉矩控制和磁通控制，使系統動態性能得到顯著改善，從而使交流電機的調速技術取得了突破性的進展。運用矢量控制已經成為當今交流變頻調速系統的主流，將這一技術應用到電動執行機構的控制中來，極大改善了執行機構的控制性能。

圖1　矢量控制原理圖

2、系統硬件電路設計

系統的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 智能電動執行機構系統原理圖

2.1 中央處理單元

    選用電機控制信號處理芯片TMS320F240。該DSP具有20m/s的定點處理速度，片內自帶程序和數據存儲器、A/D轉換、PWM波形生成、通信接口等。作為電動執行機構的控制核心，DSP擔負著控制系統所有的信號處理：

（1）接收外部控制信號，包括紅外遙控輸入、DC4～20mA或者DC1～5V控制信號、人機界面的輸入。
（2）根據接收的信號控制電機的起、停、正反轉、電機轉速、輸出力矩，并能進行極限位置在線標定。
（3）提供智能功率模塊（IPM）的PWM控制信號，處理IPM發出的故障和報警信號。
（4）處理電流、電壓和位置檢測單元發出的檢測信號。
（5）實時與人機界面進行異步通信，顯示裝置的各種工作狀態及故障診斷信號。

2.2 控制方式

2.2.1紅外遙控

    紅外線設定裝置可以在不接觸執行機構的情況下，進行系統參數的設定，包括設定閥門電動執行機構的閥門開度以及切換顯示狀態。

2.2.2手操器

    采用人機界面MD204L可編程文本顯示器，按照485通訊協議，與DSP進行串行通訊，可以設定系統參數，控制閥門的運行以及顯示執行機構工作狀態。

2.2.3標準直流信號

    調節型電動執行機構的特點是能夠根據給定信號自動調節閥門開度。將4～20mA直流信號作為指示閥門開度的給定信號，將閥門的開度轉換為4～20mA電流信號，當二者等值時執行機構停止動作，當出現偏差時，電機按照給定速度、轉矩運行，直到二者重新平衡。

2.3 功率單元

    智能功率模塊（IPM）選用PM75CSA120，該IPM將功率開關器件和驅動電路集成在一體，內置過壓、欠壓、過流和過熱等故障監測電路，并具有防靜電保護措施，使得IPM成為驅動電機的較理想的功率器件。

2.4 電流、速度以及位置檢測

    選用電流傳感器LTS25-NP檢測IPM三相電流，采用光電碼盤作為轉速檢測器件。編碼盤與電機同軸連接，每轉能發出一定數量信號，將這些信號送入DSP的正交編碼電路，同時使能計數器，在采樣時間內由計數器記下脈沖發生器發出的脈沖數，送給DSP，就可以算出這段時間內的平均轉速。精密電位器檢測電動執行機構的輸出軸的位置信號，轉換成電信號后送入DSP進行處理。DSP依據檢測的電流、轉速和位置信號，計算出需要的轉矩電流與勵磁電流，經過坐標變換，調整和控制IPM的輸出。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

    控制系統的軟件采用中斷方式設計。在主程序中進行系統的初始化、控制方式選擇、位置檢測等工作，在中斷服務程序中完成矢量控制算法與PWM的輸出。

    電動執行機構的主程序流程圖如圖3所示，主程序主要分成以下幾個部分：

3.1.1 系統初始化

    系統上電后，首先進行初始化設置，包括I/O初始化、A/D初始化、EVA以及SCI初始化等，而后從EEROM中讀取上次運行設定的參數值，包括行程初值、終值、速度、力矩以及控制方式選擇標志位，并將這些參數存入數據寄存器中。

3.1.2 選擇控制方式

    DSP根據控制方式標志，進入相應的程序分支，可選本地遙控控制、手操器控制以及標準4～20 mA電流信號控制。3種控制方式可根據需要由控制者切換，切換方式簡單可靠。

圖3　主程序流程圖

3.1.3 指針跟隨以及故障處理

    每個分支的循環中采樣位置反饋信號，與上次采樣值比較作差，差值轉化為脈沖數驅動指針旋轉，實時跟隨閥位，直到電機停止，指針便指示當前位置，掉電后依然能夠保持，旋轉方向由差值的符號決定。當檢測到故障信號時，系統停止運行。

3.2 子程序設計

    子程序主要包括：矢量變換、行程在線標定、A/D采樣、SCI通信、PWM輸出等。矢量變換以及PWM輸出在定時器的中斷服務子程序中實現，流程圖如圖4所示。

圖4　中斷子程序流程

    為適應不同的場合，閥門的行程要求可調，用戶只要切換的遙控控制方式下就可自由設置閥門的行程，流程圖見圖5。

    當系統處于手操器控制時，DSP與手操器遵循485協議進行實時通信，讀取控制參數，同時顯示當前狀態。

圖5 行程設定流程圖

4 結論

    介紹的智能型閥門執行機構功能完善、操作靈活，由于將矢量控制技術應用到執行機構的控制中，極大改善了控制性能，在同行業中具有水平。實驗結果表明：該執行機構操作簡單、安全可靠，行程控制、轉矩控制等重要性能指標達到相關標準的規定，具有廣闊的應用前景。