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    閥門電動執行器控制系統設計方案與應用分析

    類別:調節閥附件 | 作者:趙慧嫻 吳新偉 | 發布日期:2018-08-09 16:17:38

        電動執行器一般由控制系統、驅動電機、執行機構等組成,控制系統作為核心部分,其性能將直接決定閥門的位置控制精度。電動執行機構控制系統多基于PLC或單片機搭建,控制效果比較理想,但是PLC在可擴展性、二次開發等方面存在短板且成本較高;單片機運算處理能力有限。DSP即數字信號處理器,兼顧數據處理和實時控制而且易于開發。以32位定點DSP芯片TMS320F2812為例,其專門針對電機控制和運動控制而設計。硬件配置上,TMS320F2812具有豐富的通用輸入輸出接口、16通道12位A/D轉換器、兩個事件管理器以及大容量的片上存儲器,能夠較好地滿足電動執行器的控制需求;運算速度上,TMS320F2812可以達到150MIPS,可以實時地處理復雜控制算法,實現高精度控制,保證電機的位置控制精度以及速度控制的動態特性;通信方面,TMS320F2812芯片支持多種通信機制,如UART串口通信、CAN總線通信、SPI總線通信等,能夠很方便地實現人機交互界面的設計以及同其他系統之間的信息交互?傮w來說,基于TMS320F2812的電動執行器控制系統不僅具有傳統專用控制器的優勢,而且具備很好的集成性、可擴展性、二次開發性,提高了控制系統的可靠性、處理速度以及通用性。

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        本文在現有研究的基礎上,基于TMS320F2812設計一種電動執行機構控制系統,在電路設計、軟件設計、應用研究等方面展開論述。 內容來自cqphs.com

    1、電動執行器

        電動執行器結構原理如圖1所示,通過十字滑塊聯軸節,電機與滾珠絲杠實現連接;滾珠絲杠和滑移平臺通過螺母連接。電機輸出轉矩以驅動滾珠絲扛轉動,需要克服回轉體阻尼力和轉動慣量等的作用。編碼器主要負責采集電機轉角信號,以便于實現閉環控制,不過應根據實際應用需求和條件決定是否安裝編碼器或其他傳感器,如霍爾傳感器。滾珠絲杠可將電機輸出的旋轉運動轉化為直線運動;破脚_用于固定工作負載。通過電動執行器的結構原理圖可知:電動執行器的運行情況取決于電機特性及其控制系統,在一定程度上電機可以看做電動執行器的核心部件。在電動執行器中普遍使用的電機主要有3種,即步進電機、交流伺服電機、直流伺服電機等。其中步進電機電動執行器具有成本低廉、控制簡單等特點,所以其應用最廣。圖中J為電機轉動慣量;B為黏滯阻尼系數;T為電機輸出轉矩;ω為電機轉速;m為負載質量;F為外部干擾力;v為滑動平臺x方向的運行速度,均為表征電動執行器特性的重要參數。 cqphs.com

    電動執行器結構原理圖 copyright cqphs.com

    圖1 電動執行器結構原理圖 copyright cqphs.com

    2、控制系統設計

        電動執行器控制系統基于微控制器TMS320F2812設計,執行機構選用步進電機,控制系統結構如圖2所示。由圖2可知,電動執行器控制系統主要包括上位機、CAN通信模塊、微控制器、步進電機驅動電路、參數檢測等部分。通過現場控制面板或者上位機設定相關參數;參數經CAN總線傳送至控制器TMS320F2812,通過運算得到步進電機控制量,進而實現其速度、旋轉角度等控制;步進電機的旋轉輸出經滾珠絲杠進行運動形式轉化以及減速處理后進行閥桿控制,進而實現閥門開口度的控制。另外,步進電機一端裝有霍爾傳感器,用于電機轉速和位置控制;調節閥門處裝有流量、壓力等傳感器,采集的流量、壓力等信號經簡單處理后傳送至控制器TMS320F2812的A/D模塊,與設定值比較,得到偏差數值,通過調整步進電機位置和速度保證閥門開口精度,最終實現自動控制。 cqphs.com

    控制系統結構簡圖 重慶普惠斯

    圖2 控制系統結構簡圖

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    2.1 步進電機驅動電路 內容來自cqphs.com

        當前,實際中普遍使用的步進電機驅動器體積比較大、成本比較高。為減小控制系統體積,本文不采用成品步進電機驅動器而是設計了一種步進電動機驅動電路并將其與微控制器做在一起。

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        步進電機驅動電路包括環形分配器和功率驅動2部分。其中,環形分配器既可以用軟件實現也可以用硬件實現?紤]到微控制器的工作負擔,提高可靠性,環形分配器通過硬件方式來實現,即選用專用集成電路。本文所述控制系統選用專用步進電機控制芯片PMM8713PT進行環形分配器設計。該芯片控制功能比較豐富,可用于兩相或四相步進電機控制。因為步進電機所需驅動電流相對較大,所以要在步進電動機和控制器之間添加功率放大電路。另外,考慮到步進電機的高電平、大功率對控制器的干擾,TMS320F2812的控制接口不能直接與步進電機相連,需要添加隔離電路。 重慶普惠斯

        步進電機驅動電路如圖3所示。TMS320F2812與PMM8713PT的接口共有6個,分別是GPIOA0-Em,GPIOA1-Co,GPIOA2-Eb,GPIOA3-Ea,GPIOA4-U/D,GPIOA5-Ck;PMM8713PT的Cd,Cu接地;引腳Ck接收TMS320F2812發送的脈沖;R和c引腳通過上拉電阻接高電平。其中,引腳GPIOA0用于判斷環形分配器是否正常通電;引腳GPIOA1用于判斷環形分配器是否能夠正常接收TMS320F2812發出的脈沖信號;引腳GPIOA2和GPIOA3用于確定步進電機通電模式,當GPIOA2和GPIOA3引腳均為高電平時,步進電機通電模式為雙四相4拍;當GPIOA2和GPIOA3引腳均為低電平時,步進電機通電模式為四相8拍;當GPIOA3為低電平、GPIOA2為高電平時,步進電機通電模式為四相4拍。當引腳Ck脈沖處于下降沿、GPIOA4引腳為高電平時,步進電機正轉;當引腳Ck脈沖處于下降沿、GPIOA4引腳為低電平時,步進電機反轉。1、2、3、4的輸出信號分別用于控制步進電機四相繞組,該信號經功率放大電路和光耦電路處理后用于控制電機繞組。圖3中僅給出一相繞組的電路,其余3相繞組的驅動方式相同。 copyright cqphs.com

    步進電機驅動電路

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    圖3 步進電機驅動電路 本文來自重慶普惠斯閥門

    2.2 CAN總線電路 內容來自cqphs.com

        CAN總線通信不受地址、節點數限制而且具有比較強的抗干擾能力,其已廣泛應用于現場總線控制、儀器儀表、數控機床、汽車等領域?紤]到通信距離、現場干擾等因素,本文并沒有使用TMS320F2812控制器的CAN模塊,而是選用專業的CAN控制器和驅動器。CAN總線電路主要包括控制器TMS320F2812、CAN控制器和CAN驅動器。其中,CAN控制器選用SJA1000,主要負責CAN總線通信協議,用于實現報文的裝配與拆分以及接收信息的校驗和過濾等。CAN驅動器選用82C250,其具有較好的熱防護、降低射頻干擾(RFI)、瞬間抗干擾能力。為進一步增強通信抗干擾能力,可采用光耦實現SJA1000和82C250之間的光電隔離,為減輕光耦對信號的影響如延遲效應,可選用高速光耦6N137。CAN總線電路如圖4所示。 cqphs.com

    CAN總線電路 本文來自重慶普惠斯閥門

    圖4 CAN總線電路 copyright cqphs.com

    2.3 電機位置檢測

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        步進電機一端裝有3個霍爾效應傳感器,相鄰兩個之間間隔120°;魻杺鞲衅鲿敵3個180°的疊加信號,經一級RC濾波處理后,傳送至控制器TMS320F2812捕獲單元的輸入引腳cap1,cap2,cap3。捕獲單元設置為上升沿和下降沿檢測信號;電機旋轉1周,3個霍爾傳感器總共生成6個換向信號;相鄰兩個換向信號間隔的機械角度為60°。那么基于電機軸位置信號的變化可以方便地得到電機的實際轉速:

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    ω=Δθ/ΔT    (1) 重慶普惠斯

    式中:Δθ為機械角度;ΔT為轉角Δθ對應的時間。 內容來自cqphs.com

        由于霍爾傳感器相對步進電機軸的位置是不變的,所以任意兩個相鄰換向信號對應的機械轉角Δθ為常量。由式(1)可知,ω與ΔT成反比,而且ΔT的具體數值可通過計算任意一個邊沿捕獲中斷計數器相鄰兩個數值的差值得到。

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    3、軟件設計

    3.1 主程序 cqphs.com

        控制系統主程序主要涉及TMS320F2812相關寄存器的初始化,操作模式選擇以及不同模式下功能函數的實現。

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        現場操作模式下,掃描開始、停止、急停等按鍵。當開始按鍵有效時,閥門開向運動;當停止按鍵有效時,閥門關向運動;當急停按鍵有效時,閥門停在當前位置。 重慶普惠斯閥門

        遠程操作模式下,首先讀取開始區、零點值等參數并設置速度;通過A/D采樣獲取閥位設定值;利用位置PID控制電動執行器保證閥門精確地運動到設定位置。 重慶普惠斯閥門

        參數設置模式下,使能SCI中斷接收用戶設置的參數并存儲。主程序流程如圖5所示。

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    電動執行器主程序流程圖 重慶普惠斯閥門

    圖5 主程序流程圖 cqphs.com

    3.2 速度和位置控制

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        電動執行器的速度、位置控制框圖如圖6所示。速度調節基于PI控制實現,系統從上位機獲取閥門速度設定值;經渦輪蝸桿減速處理后作為步進電機速度給定值。如上所述,通過霍爾傳感器輸出的電機位置信號可以計算出電機實際速度;實際速度和給定速度值的差值作為PI控制器的輸入。而PI控制器輸出作為相電流控制的參考值。相電流采樣值和參考值的差值作為電流PID控制器輸入,其輸出直接控制PWM信號,進而實現電機轉速的調節。

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    電動執行器速度PI控制框圖

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    圖6 電動執行器速度PI控制框圖 內容來自cqphs.com

        控制系統檢測到的電流信號,經轉換電路處理后可變為0~3.3V的電壓信號,然后傳送至TMS320F2812的A/D端口。由于電流信號大小與閥門位置成線性關系,所以根據A/D所采集電壓值可以得到閥門位置設定值R(k)。同時,通過步進電機上裝配的光電編碼器以及TMS320F2812的正交脈沖編碼(QEP)電路,可以檢測、計算出閥門實際位置c(k)。將實際值和設定值之間的差值e(k)作為閥門位置PID控制器的輸入,其輸出u(k)控制電機開向運動、關向運動、停止等,以保證閥門精確地運動到用戶指定的位置。

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        無論是速度PID控制還是位置PID控制,當電機啟動、停止或者設定值大幅變化時,系統輸出會存在很大的偏差。此種情況下,如果簡單采用常規PID控制算法勢必造成積分積累,將導致比較大的系統超調,甚至引起系統振蕩。因此,本文引入了積分分離PID控制算法,該算法不但可以保持積分作用,而且能夠減小超調量。積分分離PID控制算法可以描述為:

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    1. 定義積分項系數α和系統閾值ε>0;
    2. 如果系統偏差|e(k)|>ε,此時α=0;可以采取PD控制,在保證系統快速響應的同時避免出現較大超調;
    3. 如果偏差|e(k)|≤ε,此時α=1;可以采用PID控制,從而保證系統控制精度;
    4. PID控制方程的積分分離形式為

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    式中:Kp為比例系數;TI為積分時間常數;TD為微分時間常數;k為采樣時刻;T為采樣周期。

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        積分分離PID控制流程如圖7所示。 重慶普惠斯

    電動執行器積分分離PID控制流程圖

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    圖7 積分分離PID控制流程圖 本文來自重慶普惠斯閥門

    當|e(k)|>ε,即α=0時

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        (3) 重慶普惠斯

    當|e(k)|≤ε,即α=1時

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        (4)

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    式中:

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        (5)

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        (6) 內容來自cqphs.com

    4、應用研究

        為驗證所述控制系統的可行性和有效性,以電動執行器軌跡跟蹤為例,展開了相關應用研究。針對圓形曲線和正弦曲線的軌跡跟蹤實驗結果如圖8所示,由實驗結果可以看出:實際軌跡和給定軌跡基本吻合,可以保證執行機構十分精確地進行軌跡跟蹤控制;驗證了所述電動執行器位置和速度控制方法的有效性;表明了所述基于DSP的電動執行器控制系統的可靠性和有效性。 本文來自重慶普惠斯閥門

    電動執行機構軌跡跟蹤實驗結果 copyright cqphs.com

    圖8 軌跡跟蹤實驗結果

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