智能电动执行器变频调速系统的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河北工业大学控制科学与工程学院 作者:董砚

  智能电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置,文中将开关磁阻电机(SRM)步进传动的动态定位技术应用于智能电动执行器的变频调速系统中。简要介绍了基于SRM的智能电动执行器调速系统的硬件组成,重点阐述了系统的软件实现,以CCS3.1为开发平台进行模块化设计,对SRM转子位置和电流进行实时检测,在转速和电流方面都能很好地跟随给定。该设计方案现已成功应用于智能电动执行器并取得了良好的控制效果,具有一定的实用价值。

  电动执行器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置,其能源取用方便、安装调试简单,在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。电动执行器包括电动执行机构和调节阀两部分,控制精度主要决定于电动执行机构的控制性能,它能够将系统的控制信号转换成输出轴的角位移、直线位移,控制阀门等截流件的位置或其它调节机构,使被控介质按系统要求状态工作。

  电动执行器的智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,价格低廉的单片机和新型高速微处理器将全面代替以模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元,从而实现完全数字化的控制系统。全数字化的实现,将原有的硬件控制变成了软件控制,从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法来提高控制性能。

  SRM作为智能电动执行器的执行元件,电动执行器的控制性能与SRM的调速系统密切相关,一套合理的SRM调速系统设计方案对提高智能电动执行器控制性能至关重要。

1、SRM调速系统硬件组成

  SRM调速系统的硬件结构如图1所示。

SRM调速控制系统硬件结构图

图1 SRM调速控制系统硬件结构图

  SRM调速系统主要包括:电源电路、功率转换器、键盘显示控制电路、驱动电路、位置检测电路、辅助电路及被控对象SRM。电源电路为整个调速系统提供电能,功率变换器是电能转换电路,该电路主要是向SRM传送电能,同时起到一定的开关作用,使SRM的各相绕组能够按照要求通断。控制器选择16位微处理器TMS320LF2407、并辅助键盘显示控制,其中TMS320LF2407微处理器是整个控制器部分的核心。位置检测电路的目的是确定定、转子的相对位置,并把位置信号反馈给逻辑控制电路,以确定对应相绕组的通断,使各相电流脉冲和相应的转子同步。由于SRM低速运行时采用电流斩波控制运行方式,通过调节相绕组的电流来控制转矩的大小,因此,要求不断检测电流的大小;而SRM在高速运行时采用的是角度位置控制运行方式,系统通过调节控制角来实现对转矩的控制,此时尽管电流不再是被控量,但为了防止电机过载或异常运行时电流过大可能会对控制电路、各种功率器件以及电机本体造成损害,所以,仍需要一定的过流保护措施。

2、SRM调速系统软件设计与实现

  本文中的软件设计采用DSP(TMS320LF2407)汇编语言编程,实行模块化设计,增加了程序的可读性和移植性。软件设计的任务主要包括:位置采样、位置控制、速度采样、速度控制、电流采样、电流控制、电流保护,主要流程图如图2,图3所示。

主程序流程图

图2 主程序流程图

电流环和位置环流程图

图3 电流环和位置环流程图

  主程序主要完成系统的初始化、初始状态的显示以及起动、运行子程序的调用。主要由以下几部分组成:

  (1)初始化:

  包括TMS320LF2407内部各寄存器的初始化、事件管理器各命令寄存器的初始化、中断

  命令控制字初始化,令CAP捕获中断为低电平触发方式,PDPINT(过流中断)的优先级最高,此时禁止全部中断,并关闭所有的相输出信号。

  (2)键值判断子程序

  由控制手轮传来的起动正转、起动反转、停车、制动信号及驱动板传来的过温、过压、欠压等信号经过一个优先编码器编码后进入TMS320F2407的I/O口,DSP根据最高级别有效信号的编码转入不同的分支处理子程序,在各个子程序中设定各自相关的标志位,并给显示寄存器赋以相应的显示值。

  (3)中断服务子程序

  中断服务程序主要包括位置检测、速度检测、电流检测及保护、故障处理子程序。调速系统中主要涉及位置检测、速度检测、电流检测。

  ① 转子的位置检测

  准确的位置检测是实现精确位置控制的前提,直接决定了整个控制系统的精度。开关磁阻电动机调速系统的位置检测环节的一个主要功能就是计算转子相对于参考位置(0°)的电角度,根据这个相对电角度来判断哪一相开通,哪一相关断。位置传感器输出的两路位置信号S1,S2在一个周期内有四种不同的组合,按照不同的组合将一个周期里的两路位置信号划分为四个状态,采用两位二进制编码区分不同的状态,即状态0(00)、状态1(01)、状态2(10)、状态3(11)。

  位置检测程序首先锁存上一次的位置信号,然后检测新的位置信号;从而比较两次检测的位置信号,如果发现位置信号不相同,则说明位置已经改变,应该进行换相控制,同时计算电机的步数并进行防抖动判断,即行程的增加;如果两次的位置信号相同,则说明位置没有改变继续以上次的控制方案控制,无需进行换相控制。

  由于开关磁阻电动机不同于异步电动机没有自换相能力,必须根据转子位置检测器的输出信号强迫换相。换相控制在捕获中断服务程序中完成,在捕获中断程序中处理器读取两个转子位置检测器的输出电平,根据这两个信号的组合就可以决定哪一相应该通电。

  ② 速度检测

  本程序中,对于电机转速的测量是非常关键的。电机转速的测量主要利用了通用定时器T1。通过I/O口读取位置传感器信号,每15°跳变一次。设计时定时器1中断时间设为200μs,若两次跳变期间进定时器1中断的次数为m,则电机每转一圈计数值为24×m,所需的时间为24×m×200μs,根据此数值,就可以计算出实际电机转速。最后,经过换算,就可以得出单位为r/min的电机实际转速n。

智能电动执行器变频调速系统的研究

  在此子程序中,通用定时器T1中的计数值要进行累加,然后再除以累加次数。在计算出转速以后,还需计算其平均值。这样,计算出的转速就更加准确。每进入一次CAP捕捉中断服务程序,电机旋转步数计数器就减1,并判断是否为0,如为0则说明电机已经运行了预定步数,此时保持全比较单元PWM1-PWM4状态,即将电机锁定在期望的稳定位置。延时一段时间后,封锁各相PWM输出口。

  ③ 电流检测

  电机绕组中电流的准确采样是进行有效电流控制的前提。电流检测包括电流传感器和电流A/D转换两个步骤,只有两部分都能精确的采样才能实现电流的准确检测,缺一不可。

  本系统采用传统的PI算法,系统采用双闭环控制,外环为转速环,内环为电流环。转速控制的具体过程:由光电位置传感器检测的转子位置信息,估算出电机的实际转速,并与给定转速进行比较,偏差通过PI速度控制生成电流参考值。它与电流反馈构成电流闭环,经PI调节来控制PWM的占空比,实现输出转矩的控制,以保证得到快速的响应,实现电机转速的控制。

3、实验结果

  本文所设计的调速系统可以应用于直行程、角行程、多回转执行机构。实验中选用角行程(0°~90°)的智能电动执行器,电机为一台1.1kW,4相8/6极,额定电流为7A的开关磁阻电机。采用本文所设计的调速方案电机可以以不同的给定速度运行,其转速曲线如图4所示。

系统调速的转速曲线

图4 系统调速的转速曲线

  电机在16.6s处开始起动,在0.1s内转速就升到了400r/min;在20.1s处转速给定n=1000r/min,0.2s后实际转速达到给定信号要求的1000r/min;在21.8s处给定转速n=1500r/min,该调速系统在0.2s后达到给定信号要求的1500r/min。由此可以说明该系统在速度给定变化时可以在极短的时间内跟随给定。图中转速曲线为160r.m-1/div。

  对于智能电动执行器来说,在其速度范围内,都有不同的速度可供选择,这就需要调节SRM的转速来实现。

  不同的电机转速,电动执行器运行完全行程的时间也就不同。当电机转速为400r/min时,电动执行器运行完全行程所用时间为70s;当电机转速为1000r/min时,电动执行器运行完全行程所用时间为28s;当电机转速为1500r/min时,电动执行器运行完全行程所用时间为19s。由此可见,用户还可以根据不同的需求对电机的转速进行设定来实现对电动执行器运行完全行程时间的调节。

  执行机构的全行程可以分为几段,由于SRM可以调速,因而每一段就可以选择不同的转速,有效地避免“水锤效应”和“气蚀”现象。

  采用本文所设计的调速方案,得到的不同转速下电机的电流曲线如图5所示。

不同转速下的电流曲线
不同转速下的电流曲线

图5 不同转速下的电流曲线

  该调速系统采用两相励磁运行。电流曲线图中为A,C相电流曲线(2A/div),其导通顺序为DA-AB-BC-CD,对应转子位置信号为00-01-11-10。由于考虑到电感的影响,在算法中应用PI算法,电流波形的波动很小,对于智能电动执行器的稳定运行起到良好的效果。

4、结语

  本文对基于SRM的智能电动执行器调速系统的控制器部分进行了初步的探讨和研究,完成了对SRM调速系统控制器部分程序的设计工作,实现了位置检测、速度计算、电流斩波以及PWM电压输出等功能。采用本文所述的PI调节控制算法对智能电动执行器进行调速控制,通过大量实验得出的实验曲线表明,该调速系统应用于智能电动执行器上,在转速和电流方面都能很好地跟随给定,有效地减小电流波动,对提高智能电动执行器的控制性能取得了满意的效果。

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