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                  0 引言
                  電動執行器是閥門自動控制系統重要的終端設備,它對整個閥門控制系統的安全運行、可靠性以及調節品質的優劣有著很大的影響。傳統的閥門電動執行器通常存在精度低、可靠性差、不能與計算機進行通信、維護困難等不足。
                  近年來,電子技術和計算機網絡技術的進步,給閥門控制技術的發展帶來了新的契機。CAN(controller area network)總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的全數字化的現場總線。
                  本文針對傳統閥門電動執行器存在的不足,設計了一種基于DSP2812的CAN總線智能閥門電動執行器。該設計不僅使系統控制精度有了可靠保證,而且通過自動初始化可對閥門的相關參數進行自動整定。
                  1 系統硬件設計
                  隨著電子電路以及大規模集成電路的開發與應用,各種高性能的電子器件和微處理器為智能電動執行機構的開發研究奠定了基礎。本文所設計的控制器由TI公司生產的TMS320 F2812芯片及其外圍電路組成。該控制器能夠實現現場數據的實時采集,包括閥門的狀態信息、電壓電流、電機溫度、輸出力矩等數據,并加以分析、判斷,使控制電機正常準確地運行。只要在閥門的實際全開和全關位置各按鍵一次,即可實現智能校準。系統通過液晶屏實時顯示電動閥門的開度及系統的工作狀況和故障;通過CAN總線保持與控制中心的通信或者現場儀表之間的通信。
                  1.1 總體結構
                  本系統設計的智能閥門電動執行器由驅動控制器、三相異步電機和機械傳動執行機構這3部分組成,系統總體結構如圖1所示。

                  圖1中:驅動控制器以TMS320 F2812DSP控制芯片為微控制器;電機采用三相交流永磁同步電動機,它通過空間矢量調制技術中的直接轉矩控制技術(SVM2DTC)來控制交流功率逆變器,從而控制電機的精確運行并輸出適當的轉矩,以及控制閥門電動執行器的動作。
                  電機的功率驅動電路主要由電流反饋電路、電流滯環比較電路、脈沖分配電路、故障輸出保護電路和IPM智能模塊及其外圍電路組成。以智能功率模塊(IPM)為核心的三相交流功率逆變器不僅集成了功率開關器件和驅動電路,而且還內置有欠壓鎖定、過流保護、短路保護以及過熱保護等故障監測電路;同時,它可將監測信號送往DSP控制器進行處理,是一種高性能的功率驅動電路。
                  1.2 控制器設計
                  目前,采用8位或16位微控制器的智能控制設備或儀器儀表僅可完成簡單、低速的數據傳輸,但不能滿足工業現場的實時性和可靠性要求,特別是當連接請求較多或控制任務較復雜時,運行實時性較差。因此,本文選用了TMS320F2812控制芯片作為控制器核心??刂破鲀炔寇浖▽崟r嵌入式多任務操作系統、構件庫以及以構件裝配序列形式存在的應用軟件?;谔厥鈶玫那度胧綄崟r操作系統,對該芯片進行合理的任務調度,以滿足工業現場對實時性和可靠性的要求。
                  TMS320 F2812芯片是TI公司推出的一款高性能、低功耗的32位定點高速數字DSP芯片。它采用8級指令流水線、單周期32×32位MAC功能、每秒鐘最高可執行1.5億條指令(150MIPS),保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外TMS320F2812芯片上還集成了豐富的外部資源,包括16路12位ADC、16路PWM輸出、3個32位通用定時器、128kB的16位Flash存貯器、18kBRAM存貯器、可支持45個外圍中斷的外圍中斷擴展模塊(PIE)的并具有McBSP、SPI、SCI和可擴展的CAN總線等接口。該芯片具有精簡指令集計算、微控制器結構以及快速的運行速度和廣泛的適用性等功能,從而可以實現現場數據的采集、分析計算和控制顯示?,F場智能測控儀表軟件集成技術包括實時多任務操作系統、實時監控軟件、任務級組態軟件、實時數據庫等。因此,支持在線組態可以適用于電機控制、電源設計、智能傳感器設計、工業現場控制和總線系統等應用領域。
                  1.3 CAN通信模塊設計
                  智能控制器必須通過CAN通信接口才能連接到CAN總線。常見的CAN通信接口設計有2種方式:①采用帶CAN控制器的微控制器加CAN收發器組成通信接口;②采用獨立CAN控制器加CAN收發器組成通信接口。本系統采用第一種方案,即采用TMS320F2812 DSP數字信號處理器做為現場智能單元的微處理器,利用eCAN模塊作為CAN控制器。eCAN模塊是TI公司新一代產品TM320F28x系列DSP芯片的32位高級CAN控制器,它是基于TI公司TMS470系列微控制器使用的高端CAN控制器HECC(high-end CAN controller)發展而來的。它能在有干擾的環境里完全兼容并使用CAN2.0B協議,是一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口。因此,可以實現閥門電動執行器與現場其他設備的實時通信,增加了現場設備的實時性和可靠性。
                  本系統選用TI公司生產的CAN收發器SN65HVD-230。該收發器工作電壓為3.3V,節點上電位移對總線上的其他節點沒有影響,在電噪聲很大的環境中能可靠地實現與數字信號處理器以及其他網絡節點的通信?;赥MS320F2812的CAN總線智能閥門電動執行器系統的CAN通信接口如圖2所示。

                  1.4 保護功能
                  在閥門電動執行器運行的過程中,DSP2812芯片連續監視三相交流永磁同步電動機的電流和電壓,并根據所測電流和電壓值,計算閥門電動執行器執行機構的力矩。當出現過電壓、過電流及過力矩的情況時,DSP數字信號處理器就會發出控制信號,切斷電動機電源,發出報警信號。三相交流永磁同步電動機繞組中的溫度傳感器連續檢測電動機的實際溫度,可以實現溫度報警和過熱保護。在閥門卡住的情況下,控制器便會切斷電源并報警。此外,當發生控制信號斷路等緊急情況時,閥門電動執行器的執行機構便會以預先設定的緊急速度運行到緊急狀態位置,用戶可以根據具體情況進行選擇緊急狀態位置,如全開、全關以及保位等選項。閥門電動執行器還具有掉電保護功能,運行過程中如果電源中斷,RAM中的數據將會丟失。為了使電源斷電造成數據丟失的影響降到最低,閥門電動執行器執行機構每隔一定時間向EEPROM中寫入系統運行參數,使參數不一致的時間間隔非常小。
                  2 軟件設計
                  基于DSP2812的CAN總線智能閥門電動執行器軟件設計主要包括通信、控制和管理這3個方面。其中通信程序完成智能閥門電動執行器與DSP2812控制器之間的雙向數據通信。智能閥門電動執行器要傳送的數據有閥門的實際開度和各種參數以及故障報警時的數據等。在控制器DSP向電動執行器發出請求數據要求且智能閥門電動執行器收到數據時,智能電動執行器將現場采集的數據打包發送給控制器DSP。當現場出現故障時,智能閥門電動執行器則在控制器DSP發出請求數據要求前,就發送故障數據。智能閥門電動執行器可以接收來自DSP控制器的控制信息,并進行相應的動作。本系統采用模塊化的程序設計方法。其主程序流程如圖3所示。主程序主要完成系統的初始化、初始狀態的判斷以及啟動、運行子程序的調用。系統根據接收到的指令確定系統的運行模式、維護系統正常運行、通信和顯示等工作。

                  智能閥門電動執行器的控制部分主要實現閥門位置的控制功能,同時要考慮動作延遲時間以及死區大小的設置;其主要任務是對過程變量進行采樣、數據處理以及根據可能的算法和控制方式進行計算和輸出。為了克服由于電動機的慣性以及位反信號的滯后等原因引起的不足,在控制算法中采用了帶自調整函數的模糊PID控制器來實現對直流電機轉速較為精確的控制。但由于該模糊PID控制器輸出的控制變量是離散的,因此,本系統又引進了二元函數Lagrange插值算法,以便獲得連續精確的控制變量,從而消除控制器的調節死區和靜態誤差。修正函數的選擇方式是:當偏差大時,對偏差的影響給予較大的權重,以盡快消除偏差,提高響應速度;當偏差較小時,為避免系統的超調,對偏差變化的影響給予較大的加權,以盡快進入穩態。本系統對三相交流永磁同步電機的控制是采用基于DSP2812的CAN總線控制系統來完成的。采用SVM2DTC控制算法,實現電動機的精確控制以及柔性啟停功能,可以有效地減少啟停對閥門的機械沖擊,最大限度地保護閥門。
                  管理程序包括LCD顯示、管理工作方式、報警燈指示、處理用戶按鍵的掃描和響應、對系統的掉電保護、執行中斷服務子程序和對系統自身的自診斷過程。
                  3 結束語
                  當智能閥門電動執行器與現場總線連接時,智能執行器就成為了現場總線控制系統中的一塊現場儀表。這時它不僅具有執行器的功能,而且還具有控制、運算和通信等功能,同時可以實現網絡化管理。
                  基于DSP2812的CAN總線智能閥門電動執行器采用三相交流永磁同步電動機作為伺服電機,以TMS320F2812 DSP為控制器,真正實現了電動閥門的數字化和智能化。這類總線型智能閥門電動執行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護功能完善、適應性廣泛等優點。隨著現場總線技術應用的深入,它將給總線型智能閥門電動執行器帶來廣闊的發展前景。

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