数字化阀门电动执行机构

引言阀门电动执行机构广泛应用于电力、化工、冶金和石油等领域。由于现有的国产阀门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，使得现有的阀门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。随着电子技术以及大规模集成电路的开发应用，各种高性能的电子器件和微处理器为数字化阀门电动执行机构的开发研究奠定了基础。所开发的数字化阀门电动执行机构具有以下特点：①控制器采用单片DSP芯片（TMS320F240）作为控制系统的核心，处理系统内所有的控制信号，包括对系统设定、采样、显示、报警、故障等信号的处理。同时对智能功率模块（IPM）提供控制信号（PWM控制波），控制IPM的导通与关断，以实现对感应电机的控制。②主电路采用智能功率模块（IPM）。IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、欠电压、过电流和过热等故障监测电路，并可将监测信号送往DSP进行处理，是一种高性能的功率开关器件。③远程红外设定执行机构运行参数。为适应恶劣工况环境，采用了电动执行机构参数的红外设定。避免直接接触执行机构，方便了系统的设定。④远程通信。为与上位机通信，预留了通信端口，可以组成控制群组，方便接人现场总线，形成控制网络。⑤状态显示。采用LCD显示电动执行机构的工作状态，并在掉电的情况下正常地显示执行机构掉电前的工作状态。 

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。在现有的交流感应电动机的控制算法中，主要包括矢量控制和直接转矩控制两种控制算法。矢量控制技术以转子磁场定向，用矢量旋转变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦。然而在实际中由于转子磁链难于准确观测，系统特性受电动机参数（尤其是转子电阻）的影响较大，以及所用的矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。直接转矩控制技术，是近10年来继矢量控制技术发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果等一些重大问题。直接转矩控制的算法和实现的途径，已有许多的文献进行了详尽的阐述，在此仅给出直接转矩控制的主要特点：①直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。②直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，可以大大减少矢量控制技术中控制性能易受参数变化的影响。③直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使得问题变得简单明了。④直接转矩控制是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM控制信号，直接对删的开关状态进行zui佳的控制，以获得转矩的高动态性能。⑤直接转矩控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种高静动态性能的交流调速方法。2 阀门电动执行机构的系统设计 阀门电动执行机构的数字化开发分为硬件和软件设计两部分，以下分别论述。2．1 系统硬件设计 阀门电动执行机构控制系统的框图如图1所示。

控制系统各部分的功能如下：①红外发射与接收：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、扭矩、开、关以及切换显示状态。②数字信号处理器（DSP）：选用TI公司电机控制专用信号处理芯片9MS320F240。该DSP具有20MPS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，通信接口等强大的处理能力。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：包括接收设定信号（转矩、开度、开启和关闭设定）；提供给智能功率模块（删）的PWM控制波，处理删发出的故障和报警信号；处理电流、电压和位置检测单元发出的检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态的信号。

③智能功率模块（IPM）：选用三菱电机的PM75CSA120，该删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，使得删成为驱动电机的较理想的功率器件。④电压、电流及位置检测：作为控制系统的关键性部件，为保障系统的控制性能，选用LEM公司的电压传感器LV25—P、电流传感器LT525-NP和Honeywell公司的齿轮传感器GTl01。电流传感器检测删输出的三相电流；电压传感器检测删输出的三相电压，并将检测信号送往DSP进行处理；齿轮传感器检测电动机输出的电动执行机构的位置信号，转换成电信号后，送往DSP进行处理。DSP依此电压、电流和位置信号，计算出相应的电动机转矩和定子磁通，生成相应的转矩控制的开关模式，调整和控制pM的输出。⑤光电隔离：作为弱电和强电之间的隔离，光电耦合起着防止强电对弱电部分的电磁干扰，并具有驱动的功能。⑥全桥整流：对三相交流电进行三相全波整流，输出直流提供给删。⑦电动机：具有低惯量，高转矩的三相交流感应电动机。⑧状态显示：显示电动执行机构的工作状态。包括阀门的开度、开关状态、设定力矩的大小以及系统的报警信号等。并且在设定参数状态下，显示设定的过程，提供直观清晰的显示。同时在备用电源的支持下，显示系统断电前的工作状态。2．2控制系统软件设计阀门电动执行机构的软件设计，是系统设计的关键所在。因为控制系统的各种控制算法、电机的PWM波形的生成；电机转矩的控制、阀门开度的控制、电压、电流和位置控制信号的处理；删保护及故障信号的处理等，均是通过软件的方式实现的。TI公司的9NS320F240数字信号处理器具有优异的运算处理能力，可以通过软件的方式实现系统所需的各种控制算法，完成对外围硬件电路的控制。控制系统软件的设计采用中断方式。在主程序中进行系统的初始化工作，完成对内部和外围设备的初始化，而在中断服务程序中进行系统的控制，完成直接转矩控制算法。2．2．1 主程序的设计 主程序的流程图如图2所示。在主程序中，DSP进行系统的初始化工作，内容包括：

①系统初始化：DSP初始化工作是进行系统控制的基础，是DSP软件设计的重要步骤。系统初始化工作包括：DSP的事件管理器的初始化；计时器、比较器、PWM波形生成、死区时间控制等的初始化；VO输入输出端口的初始化，使得DSP与外围设备可以进行通信；DSP内部寄存器、计数器的初始化。②软件变量设置：对程序中应用的各种变量赋以初值、分配存储地址，同时对每个标志位也重置初始状态。③后台任务：包括在中断完成后，重置标志位、更新状态显示、重置定时器，为下次中断做准备。④重置看门狗：这是软件系统的重要环节，防止外部干扰对程序的扰动而使程序走飞。2．2．2中断服务程序图3所示为中断服务程序的流程图，它在主程序定时时间到后，进行直接转矩控制算法。当计时器时间到时，启动A／D转换，检测电动机定子侧三相电压、电流，检测电动机的转速，进行三相／二相坐标变换，在。-p坐标系下进行定子磁通和转矩的计算，根据给定的转矩信号和磁链信号，生成相应的转矩开关模式，进行转矩控制。

2．2．3软件设计注意事项①电动机的软启动为防止启动电动机时出现的启动电流过大的问题，必须在程序设计时，针对这一问题进行考虑。在输出IPM开关模式信号时，要先输出一组使电动机缓速启动的开关信号，使电机的电流不至于过大而引起IPM保护的发生，以及产生过大转矩。②电动机的带电制动阀门电动执行机构在没有动作运行期间，必须有电制动，这样才可以保证阀门始终在期望的阀位。为此，在控制系统没有新的给定信号发生时，软件应当输出一组开关模式信号给IPM，使得IPM输出一组两相直流电流供给交流感应电机，使电动机的定子磁场保持静止。从而保证了电机转子没有动作，阀位也因此得到了固定。3结束语阀门电动执行机构的数字化开发设计，为电动执行机构的研究开发提供了新的思路。由于所开发的阀门电动执行机构具有软件升级方便、网络通信能力强、控制策略先进、可靠性高等优点，可以为工业生产提供极大的便利，具有广阔的应用前景。