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數字化閥門電動執行機構的應用領域
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引言閥門電動執行機構廣泛應用于電力、化工、冶金和石油等領域。由于現有的國產閥門電動執行機構存在著控制方式落后，可靠性不高，缺乏完善的保護和故障報警措施以及必要的通信手段等問題，使得現有的閥門電動執行機構不便于調試和維護，也不能根據生產的實際需要進行參數的現場調整，不能組成網絡進行遠程控制。隨著電子技術以及大規模集成電路的開發應用，各種高性能的電子器件和微處理器為數字化閥
閥門電動執行機構的開發研究奠定了基礎。所開發的數字化閥門電動執行機構具有以下特點：①控制器采用單片DSP芯片(TMS320F240)作為控制系統的核心，處理系統內所有的控制信號，包括對系統設定、采樣、顯示、報警、故障等信號的處理。同時對智能功率模塊(IPM)提供控制信號(PWM控制波)，控制IPM的導通與關斷，以實現對感應電機的控制。②主電路采用智能功率模塊(IPM)。IPM不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還內藏有過電壓、欠電壓、過電流和過熱等故障監測電路，并可將監測信號送往DSP進行處理，是一種高性能的功率開關器件。③遠程紅外設定執行機構運行參數。為適應惡劣工況環境，采用了電動執行機構參數的紅外設定。避免直接接觸執行機構，方便了系統的設定。④遠程通信。為與上位機通信，預留了通信端口，可以組成控制群組，方便接人現場總線，形成控制網絡。⑤狀態顯示。采用LCD顯示電動執行機構的工作狀態，并在掉電的情況下正常地顯示執行機構掉電前的工作狀態。
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。在現有的交流感應電動機的控制算法中，主要包括矢量控制和直接轉矩控制兩種控制算法。矢量控制技術以轉子磁場定向，用矢量旋轉變換的方法，實現了對交流電動機的轉速和磁鏈控制的完全解耦。然而在實際中由于轉子磁鏈難于準
確觀測，系統特性受電動機參數(尤其是轉子電阻)的影響較大，以及所用的矢量旋轉變換的復雜性，使得實際的控制效果難以達到理論分析的結果。直接轉矩控制技術，是近10年來繼矢量控制技術發展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調速技術，它在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜、特性易受電動機參數變化的影響、實際性能難以達到理論分析結果等一些重大問題。直接轉矩控制的算法和實現的途徑，已有許多的文獻進行了詳盡的闡述，在此僅給出直接轉矩控制的主要特點：①直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型、控制電動機的磁鏈和轉矩。②直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，可以大大減少矢量控制技術中控制性能易受參數變化的影響。③直接轉矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數學模型和控制其各物理量，使得問題變得簡單明了。④直接轉矩控制是用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制交流電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(Band-Band控制)產生PWM控制信號，直接對刪的開關狀態進行最佳的控制，以獲得轉矩的高動態性能。⑤直接轉矩控制系統的轉矩響應迅速，限制在一拍以內，且無超調，是一種高靜動態性能的交流調速方法。
2 閥門電動執行機構的系統設計 閥門電動執行機構的數字化開發分為硬件和軟件設計兩部分，以下分別論述。
2．1 系統硬件設計 閥門電動執行機構控制系統的框圖如圖1所示。
控制系統各部分的功能如下：①紅外發射與接收：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、扭矩、開、關以及切換顯示狀態。②數字信號處理器(DSP)：選用TI公司電機控制專用信號處理芯片9MS320F240。該DSP具有20MPS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，通信接口等強大的處理能力。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：包括接收設定信號(轉矩、開度、開啟和關閉設定)；提供給智能功率模塊(刪)的PWM控制波，處理刪發出的故障和報警信號；處理電流、電壓和位置檢測單元發出的檢測信號；提供顯示電動執行機構的工作狀態的信號。
③智能功率模塊(IPM)：選用三菱電機的PM75CSA120，該刪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，使得刪成為驅動電機的較理想的功率器件。④電壓、電流及位置檢測：作為控制系統的關鍵性部件，為保障系統的控制性能，選用LEM公司的電壓傳感器LV25—P、電流傳感器LT525-NP和Honeywell公司的齒輪傳感器GTl01。電流傳感器檢測刪輸出的三相電流；電壓傳感器檢測刪輸出的三相電壓，并將檢測信號送往DSP進行處理；齒輪傳感器檢測電動機輸出的電動執行機構的位置信號，轉換成電信號后，送往DSP進行處理。DSP依此電壓、電流和位置信號，計算出相應的電動機轉矩和定子磁通，生成相應的轉矩控制的開關模式，調整和控制pM的輸出。⑤光電隔離：作為弱電和強電之間的隔離，光電耦合起著防止強電對弱電部分的電磁干擾，并具有驅動的功能。⑥全橋整流：對三相交流電進行三相全波整流，輸出直流提供給刪。⑦電動機：具有低慣量，高轉矩的三相交流感應電動機。⑧狀態顯示：顯示電動執行機構的工作狀態。包括閥門的開度、開關狀態、設定力矩的大小以及系統的報警信號等。并且在設定參數狀態下，顯示設定的過程，提供直觀清晰的顯示。同時在備用電源的支持下，顯示系統斷電前的工作狀態。
2．2控制系統軟件設計閥門電動執行機構的軟件設計，是系統設計的關鍵所在。因為控制系統的各種控制算法、電機的PWM波形的生成；電機轉矩的控制、閥門開度的控制、電壓、電流和位置控制信號的處理；刪保護及故障信號的處理等，均是通過軟件的方式實現的。TI公司的9NS320F240數字信號處理器具有優異的運算處理能力，可以通過軟件的方式實現系統所需的各種控制算法，完成對外圍硬件電路的控制。控制系統軟件的設計采用中斷方式。在主程序中進行系統的初始化工作，完成對內部和外圍設備的初始化，而在中斷服務程序中進行系統的控制，完成直接轉矩控制算法。
2．2．1 主程序的設計 主程序的流程圖如圖2所示。在主程序中，DSP進行系統的初始化工作，內容包括：
①系統初始化：DSP初始化工作是進行系統控制的基礎，是DSP軟件設計的重要步驟。系統初始化工作包括：DSP的事件管理器的初始化；計時器、比較器、PWM波形生成、死區時間控制等的初始化；VO輸入輸出端口的初始化，使得DSP與外圍設備可以進行通信；DSP內部寄存器、計數器的初始化。②軟件變量設置：對程序中應用的各種變量賦以初值、分配存儲地址，同時對每個標志位也重置初始狀態。③后臺任務：包括在中斷完成后，重置標志位、更新狀態顯示、重置定時器，為下次中斷做準備。④重置看門狗：這是軟件系統的重要環節，防止外部干擾對程序的擾動而使程序走飛。
2．2．2中斷服務程序圖3所示為中斷服務程序的流程圖，它在主程序定時時間到后，進行直接轉矩控制算法。當計時器時間到時，啟動A／D轉換，檢測電動機定子側三相電壓、電流，檢測電動機的轉速，進行三相／二相坐標變換，在。-p坐標系下進行定子磁通和轉矩的計算，根據給定的轉矩信號和磁鏈信號，生成相應的轉矩開關模式，進行轉矩控制。
2．2．3軟件設計注意事項①電動機的軟啟動為防止啟動電動機時出現的啟動電流過大的問題，必須在程序設計時，針對這一問題進行考慮。在輸出IPM開關模式信號時，要先輸出一組使電動機緩速啟動的開關信號，使電機的電流不至于過大而引起IPM保護的發生，以及產生過大轉矩。②電動機的帶電制動閥門電動執行機構在沒有動作運行期間，必須有電制動，這樣才可以保證閥門始終在期望的閥位。為此，在控制系統沒有新的給定信號發生時，軟件應當輸出一組開關模式信號給IPM，使得IPM輸出一組兩相直流電流供給交流感應電機，使電動機的定子磁場保持靜止。從而保證了電機轉子沒有動作，閥位也因此得到了固定。
3結束語閥門電動執行機構的數字化開發設計，為電動執行機構的研究開發提供了新的思路。由于所開發的閥門電動執行機構具有軟件升級方便、網絡通信能力強、控制策略先進、可靠性高等優點，可以為工業生產提供極大的便利，具有廣闊的應用前景。
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