智能電動(dòng)執行器變頻調速系統的研究
智能電動(dòng)執行器是工業(yè)過(guò)程控制系統中一個(gè)十分重要的現場(chǎng)驅動(dòng)裝置，文中將開(kāi)關(guān)磁阻電機(SRM)步進(jìn)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)應用于智能電動(dòng)執行器的變頻調速系統中。簡(jiǎn)要介紹了基于SRM的智能電動(dòng)執行器調速系統的硬件組成，重點(diǎn)闡述了系統的軟件實(shí)現，以CCS3.1為開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行模塊化設計，對SRM轉子位置和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，在轉速和電流方面都能很好地跟隨給定。該設計方案現已成功應用于智能電動(dòng)執行器并取得了良好的控制效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
電動(dòng)執行器是工業(yè)過(guò)程控制系統中一個(gè)十分重要的現場(chǎng)驅動(dòng)裝置，其能源取用方便、安裝調試簡(jiǎn)單，在電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門(mén)得到越來(lái)越廣泛的應用。電動(dòng)執行器包括電動(dòng)執行機構和調節閥兩部分，控制精度主要決定于電動(dòng)執行機構的控制性能，它能夠將系統的控制信號轉換成輸出軸的角位移、直線(xiàn)位移，控制閥門(mén)等截流件的位置或其它調節機構，使被控介質(zhì)按系統要求狀態(tài)工作。
電動(dòng)執行器的智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢，價(jià)格低廉的單片機和新型高速微處理器將全面代替以模擬電子器件為主的電動(dòng)執行器的控制單元，從而實(shí)現完全數字化的控制系統。全數字化的實(shí)現，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動(dòng)執行器中應用現代控制理論的先進(jìn)算法來(lái)提高控制性能。
SRM作為智能電動(dòng)執行器的執行元件，電動(dòng)執行器的控制性能與SRM的調速系統密切相關(guān)，一套合理的SRM調速系統設計方案對提高智能電動(dòng)執行器控制性能至關(guān)重要。
1、SRM調速系統硬件組成
SRM調速系統的硬件結構如圖1所示。
圖1 SRM調速控制系統硬件結構圖
SRM調速系統主要包括：電源電路、功率轉換器、鍵盤(pán)顯示控制電路、驅動(dòng)電路、位置檢測電路、輔助電路及被控對象SRM。電源電路為整個(gè)調速系統提供電能，功率變換器是電能轉換電路，該電路主要是向SRM傳送電能，同時(shí)起到一定的開(kāi)關(guān)作用，使SRM的各相繞組能夠按照要求通斷�？刂破鬟x擇16位微處理器TMS320LF2407、并輔助鍵盤(pán)顯示控制，其中TMS320LF2407微處理器是整個(gè)控制器部分的核心。位置檢測電路的目的是確定定、轉子的相對位置，并把位置信號反饋給邏輯控制電路，以確定對應相繞組的通斷，使各相電流脈沖和相應的轉子同步。由于SRM低速運行時(shí)采用電流斬波控制運行方式，通過(guò)調節相繞組的電流來(lái)控制轉矩的大小，因此，要求不斷檢測電流的大小;而SRM在高速運行時(shí)采用的是角度位置控制運行方式，系統通過(guò)調節控制角來(lái)實(shí)現對轉矩的控制，此時(shí)盡管電流不再是被控量，但為了防止電機過(guò)載或異常運行時(shí)電流過(guò)大可能會(huì )對控制電路、各種功率器件以及電機本體造成損害，所以，仍需要一定的過(guò)流保護措施。
2、SRM調速系統軟件設計與實(shí)現
本文中的軟件設計采用DSP(TMS320LF2407)匯編語(yǔ)言編程，實(shí)行模塊化設計，增加了程序的可讀性和移植性。軟件設計的任務(wù)主要包括：位置采樣、位置控制、速度采樣、速度控制、電流采樣、電流控制、電流保護，主要流程圖如圖2，圖3所示。
圖2 主程序流程圖
圖3 電流環(huán)和位置環(huán)流程圖
主程序主要完成系統的初始化、初始狀態(tài)的顯示以及起動(dòng)、運行子程序的調用。主要由以下幾部分組成：
(1)初始化：
包括TMS320LF2407內部各寄存器的初始化、事件管理器各命令寄存器的初始化、中斷
命令控制字初始化，令CAP捕獲中斷為低電平觸發(fā)方式，PDPINT(過(guò)流中斷)的優(yōu)先級最高，此時(shí)禁止全部中斷，并關(guān)閉所有的相輸出信號。
(2)鍵值判斷子程序
由控制手輪傳來(lái)的起動(dòng)正轉、起動(dòng)反轉、停車(chē)、制動(dòng)信號及驅動(dòng)板傳來(lái)的過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓等信號經(jīng)過(guò)一個(gè)優(yōu)先編碼器編碼后進(jìn)入TMS320F2407的I/O口，DSP根據最高級別有效信號的編碼轉入不同的分支處理子程序，在各個(gè)子程序中設定各自相關(guān)的標志位，并給顯示寄存器賦以相應的顯示值。
(3)中斷服務(wù)子程序
中斷服務(wù)程序主要包括位置檢測、速度檢測、電流檢測及保護、故障處理子程序。調速系統中主要涉及位置檢測、速度檢測、電流檢測。
�、� 轉子的位置檢測
準確的位置檢測是實(shí)現精確位置控制的前提，直接決定了整個(gè)控制系統的精度。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機調速系統的位置檢測環(huán)節的一個(gè)主要功能就是計算轉子相對于參考位置(0°)的電角度，根據這個(gè)相對電角度來(lái)判斷哪一相開(kāi)通，哪一相關(guān)斷。位置傳感器輸出的兩路位置信號S1，S2在一個(gè)周期內有四種不同的組合，按照不同的組合將一個(gè)周期里的兩路位置信號劃分為四個(gè)狀態(tài)，采用兩位二進(jìn)制編碼區分不同的狀態(tài)，即狀態(tài)0(00)、狀態(tài)1(01)、狀態(tài)2(10)、狀態(tài)3(11)。
位置檢測程序首先鎖存上一次的位置信號，然后檢測新的位置信號;從而比較兩次檢測的位置信號，如果發(fā)現位置信號不相同，則說(shuō)明位置已經(jīng)改變，應該進(jìn)行換相控制，同時(shí)計算電機的步數并進(jìn)行防抖動(dòng)判斷，即行程的增加;如果兩次的位置信號相同，則說(shuō)明位置沒(méi)有改變繼續以上次的控制方案控制，無(wú)需進(jìn)行換相控制。
由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機不同于異步電動(dòng)機沒(méi)有自換相能力，必須根據轉子位置檢測器的輸出信號強迫換相。換相控制在捕獲中斷服務(wù)程序中完成，在捕獲中斷程序中處理器讀取兩個(gè)轉子位置檢測器的輸出電平，根據這兩個(gè)信號的組合就可以決定哪一相應該通電。
�、� 速度檢測
本程序中，對于電機轉速的測量是非常關(guān)鍵的。電機轉速的測量主要利用了通用定時(shí)器T1。通過(guò)I/O口讀取位置傳感器信號，每15°跳變一次。設計時(shí)定時(shí)器1中斷時(shí)間設為200μs，若兩次跳變期間進(jìn)定時(shí)器1中斷的次數為m，則電機每轉一圈計數值為24×m，所需的時(shí)間為24×m×200μs，根據此數值，就可以計算出實(shí)際電機轉速。最后，經(jīng)過(guò)換算，就可以得出單位為r/min的電機實(shí)際轉速n。
在此子程序中，通用定時(shí)器T1中的計數值要進(jìn)行累加，然后再除以累加次數。在計算出轉速以后，還需計算其平均值。這樣，計算出的轉速就更加準確。每進(jìn)入一次CAP捕捉中斷服務(wù)程序，電機旋轉步數計數器就減1，并判斷是否為0，如為0則說(shuō)明電機已經(jīng)運行了預定步數，此時(shí)保持全比較單元PWM1-PWM4狀態(tài)，即將電機鎖定在期望的穩定位置。延時(shí)一段時(shí)間后，封鎖各相PWM輸出口。
�、� 電流檢測
電機繞組中電流的準確采樣是進(jìn)行有效電流控制的前提。電流檢測包括電流傳感器和電流A/D轉換兩個(gè)步驟，只有兩部分都能精確的采樣才能實(shí)現電流的準確檢測，缺一不可。
本系統采用傳統的PI算法，系統采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉速環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)。轉速控制的具體過(guò)程：由光電位置傳感器檢測的轉子位置信息，估算出電機的實(shí)際轉速，并與給定轉速進(jìn)行比較，偏差通過(guò)PI速度控制生成電流參考值。它與電流反饋構成電流閉環(huán)，經(jīng)PI調節來(lái)控制PWM的占空比，實(shí)現輸出轉矩的控制，以保證得到快速的響應，實(shí)現電機轉速的控制。
3、實(shí)驗結果
本文所設計的調速系統可以應用于直行程、角行程、多回轉執行機構。實(shí)驗中選用角行程(0°～90°)的智能電動(dòng)執行器，電機為一臺1.1kW，4相8/6極，額定電流為7A的開(kāi)關(guān)磁阻電機。采用本文所設計的調速方案電機可以以不同的給定速度運行，其轉速曲線(xiàn)如圖4所示。
圖4 系統調速的轉速曲線(xiàn)
電機在16.6s處開(kāi)始起動(dòng)，在0.1s內轉速就升到了400r/min;在20.1s處轉速給定n=1000r/min，0.2s后實(shí)際轉速達到給定信號要求的1000r/min;在21.8s處給定轉速n=1500r/min，該調速系統在0.2s后達到給定信號要求的1500r/min。由此可以說(shuō)明該系統在速度給定變化時(shí)可以在極短的時(shí)間內跟隨給定。圖中轉速曲線(xiàn)為160r.m-1/div。
對于智能電動(dòng)執行器來(lái)說(shuō)，在其速度范圍內，都有不同的速度可供選擇，這就需要調節SRM的轉速來(lái)實(shí)現。
不同的電機轉速，電動(dòng)執行器運行完全行程的時(shí)間也就不同。當電機轉速為400r/min時(shí)，電動(dòng)執行器運行完全行程所用時(shí)間為70s;當電機轉速為1000r/min時(shí)，電動(dòng)執行器運行完全行程所用時(shí)間為28s;當電機轉速為1500r/min時(shí)，電動(dòng)執行器運行完全行程所用時(shí)間為19s。由此可見(jiàn)，用戶(hù)還可以根據不同的需求對電機的轉速進(jìn)行設定來(lái)實(shí)現對電動(dòng)執行器運行完全行程時(shí)間的調節。
執行機構的全行程可以分為幾段，由于SRM可以調速，因而每一段就可以選擇不同的轉速，有效地避免“水錘效應”和“氣蝕”現象。
采用本文所設計的調速方案，得到的不同轉速下電機的電流曲線(xiàn)如圖5所示。
圖5 不同轉速下的電流曲線(xiàn)
該調速系統采用兩相勵磁運行。電流曲線(xiàn)圖中為A，C相電流曲線(xiàn)(2A/div)，其導通順序為DA-AB-BC-CD，對應轉子位置信號為00-01-11-10。由于考慮到電感的影響，在算法中應用PI算法，電流波形的波動(dòng)很小，對于智能電動(dòng)執行器的穩定運行起到良好的效果。
4、結語(yǔ)
本文對基于SRM的智能電動(dòng)執行器調速系統的控制器部分進(jìn)行了初步的探討和研究，完成了對SRM調速系統控制器部分程序的設計工作，實(shí)現了位置檢測、速度計算、電流斬波以及PWM電壓輸出等功能。采用本文所述的PI調節控制算法對智能電動(dòng)執行器進(jìn)行調速控制，通過(guò)大量實(shí)驗得出的實(shí)驗曲線(xiàn)表明，該調速系統應用于智能電動(dòng)執行器上，在轉速和電流方面都能很好地跟隨給定，有效地減小電流波動(dòng)，對提高智能電動(dòng)執行器的控制性能取得了滿(mǎn)意的效果。
