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基于DSP的电动执行机构控制系统

    1 控制系统原理
    电动执行器控制系统原理如图1所示,其中包括主控电路、位置检测和电流检测电路、串行通讯电路、液晶显示电路、电机驱动以及报警与保护电路等。

图1 电动执行器控制系统原理图
    TMS320LF2407数字信号处理器是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片,它提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力。设计采用TMS320LF2407作为控制器的核心,充分利用了芯片中的2个事件管理器,完成了位置检测、电流控制、速度控制、电机运行控制、串行通讯、液晶显示、故障报警等功能。
    其控制原理是:通过位置检测电路获取当前伺服电机的位置信息,DSP通过对位置信息的处理实时计算电机的运行速度;由DSP输出的相触发脉冲信号经变频电路驱动伺服电机。如果系统发生短路、过电压、欠电压等故障时,DSP会及时捕捉到故障信号,报警并及时处理故障问题;执行器工作过程中,外接于DSP的I/O口线的EEPROM会定时接收到DSP发送的电动执行器的当前位置,以便检测到不同的位置设定值时,系统可根据当前位置信息来决定电机的旋转角度和旋转方向。
    2 硬件设计
    2.1 电机驱动电路
    设计中,伺服电机是三相异步电动机,驱动芯片选用电动机控制专用芯片IR2130,如图2所示。它带有3个独立的高压侧和低压侧输出通道,可输出6路驱动脉冲,只需1个直流工作电源,工作频率可达kHz。逻辑输入与CMOS或LSTTL输出兼容,最小可达到15V逻辑电压。外围电路中的参考地运行放大器通过外部的电流检测电位器提供全桥电路电的模拟反馈值,如果超出设定或调整的参考电流值,IR2130驱动器的内部电流保护电路就启动关断输出通道,实现电流保护功能。浮动通道能够用来驱动N沟道功率MOSFET和IGBT,最高电压可达到600V。功率器件选用IRF630型功率放大器,最大工作电流42A,最大工作电压100V,具有高效性和高可靠性。

图2 控制系统驱动电路原理图
    2.2 位置检测电路
    位置检测是位置控制的核心,它不仅能够向控制器提供电机当前的状态,而且能够反映出电机的运转速度等信息。更重要的是,控制器需要根据位置检测所反映出的电机转子位置来控制主电流的导通与关断,从而控制电机正常运转。
    设计的位置检测元件是一个结构简单、精度高、可靠性高的导电塑料电位器,将执行机构的直线或角位移转换为电阻信号。如图3所示,采用LOC210模拟线性光隔将采集来的信号
     
    转换成模拟电流信号,最后经过电压跟随器输入到控制器,因而可以精确地检测位置并且可以方便地对调节阀进行零位、满度及阀门流量特性曲线的定位。

图3 位置采集电路图
    2.3 电流检测电路
    由于电动机采用电压PWM斩波工作方式,要通过速度控制生成电流参考值,与电流反馈形成闭环控制,靠调节PWM的占空比控制电流。因此首先要检测电流值。
    霍尔电流传感器的最大优点是测量精度高、线性度高、响应快速,可以做到电隔离检测。目前,利用霍尔效应检测电流有直接检测式和磁场平衡式2种方法。系统采用的是磁场平衡式霍尔电流检测器(LEM模块)。这种电流传感器把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起,具有测量、反馈、保护三重功能。在电动机运行过程中,关断某一相而开通相邻相的瞬间,关断相绕组内的电流不会马上减小到零,所以相邻相可能同时存在绕组电流。所以要想达到最佳控制效果,应在每一相绕组中使用一个霍尔电流传感器,保证每次只能采样到一相绕组电流。霍尔电流传感器电路连接如图4所示。

图4 电流采集电路图
    2.4 显示电路
    显示电路是电动执行器控制系统中人机交互部分的重要内容之一,以MG12232液晶显示模块作为显示电路的核心元件,其内部集成SED1520DAA液晶显示驱动芯片。SED1520DAA是属于行列驱动及控制合一的小规模液晶显示驱动芯片,内含振荡器,只需外接振荡电阻即可工作,模块工作的稳定性好。MG12232模块与DSP的硬件接口电路见图5。

图5 DSP与MG12232模块的接口电路
    图5中,SLA为背光电源,SLK为背光电源地,D0~D7为8位数据线,AO为写入数据/写入命令字选择端口,R/W为读写选择端,CS1、CS2为液晶显示屏边选择信号,VDD为逻辑电源正端,VSS为逻辑电源负端。由于DSP的逻辑电源为313V,而液晶显示模块的逻辑电源为5V,所以采用SN74LVC4245作为连接DSP与液晶显示模块的中间环节,起到电平转换的作用。
    2.5 串行通信接口电路
    采用RS-485接口,利用MAX485作为TMS320LF2407的接口驱动芯片,电路图见图6。由于RS-485为半双工通讯结构,因此用一个I/O口来控制器件处于接收或发送状态。

图6 MAX485 通讯接口电路
    3 软件设计
    软件主要分为2部分:一部分在主程序中实现,包括DSP的系统设置、事件管理器初始化、常量初始化、使能DSP中断、电动执行器系统初始化以及启动后台服务程序等功能;另一部分是后台服务程序,它是一个简单的无限循环程序,一些低优先级的过程包括速度计算、位置更新和液晶显示等在后台服务程序中以查询状态标志的方式被执行。主程序流程见图7。

图7 电动执行器控制系统主程序流程图
    参考文献
    [1] 马国伟,孙汉旭.无刷直流电动机的DSP控制器设计与实现.北京邮电大学学报,2005(3):96-99.
    [2] 余发山,卜旭辉,李云波,等.智能电动执行器双闭环模糊PID控制研究与仿真.工业仪表与自动化装置,2006(5):28-30.
    [3] 李荫煌.智能电动执行器及其发展趋势简介.甘肃化工,2005(4):43-45. 
    [4] 王洪升,钱峰,田蔚风.多DSP与PC机串行通信技术.仪表技术与传感器,2004(11):46-49.
    [5] 杨新志,唐华.电动执行机构的变频调速控制.电机控制与应用,2006,33(8):40-43.