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      基于DSP的電動執行器控制系統
      時間 : 2020-05-08 18:16 瀏覽量 : 15

      作 者: 梁棟,卜旭輝,余發山
      摘 要: 提出了一種基于數字信號處理器(DSP)的電動執行器控制系統,設計了相應的硬件電路,給出了該控制系統的軟件設計方案。實驗表明:以TMS320LF2407A為核心的電動執行器控制系統不僅能夠滿足實時控制的要求,易于實現先進的控制策略,而且設計方案電路簡單、可靠性強,具有較高的應用價值。
      1 控制系統原理

          電動執行器控制系統原理如圖1所示,其中包括主控電路、位置檢測和電流檢測電路、串行通訊電路、液晶顯示電路、電機驅動以及報警與保護電路等。

      圖1 電動執行器控制系統原理圖

          TMS320LF2407數字信號處理器是TMS320C2000平臺下的一種定點DSP芯片,它提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力。設計采用TMS320LF2407作為控制器的核心,充分利用了芯片中的2個事件管理器,完成了位置檢測、電流控制、速度控制、電機運行控制、串行通訊、液晶顯示、故障報警等功能。

          其控制原理是:通過位置檢測電路獲取當前伺服電機的位置信息,DSP通過對位置信息的處理實時計算電機的運行速度;由DSP輸出的相觸發脈沖信號經變頻電路驅動伺服電機。如果系統發生短路、過電壓、欠電壓等故障時,DSP會及時捕捉到故障信號,報警并及時處理故障問題;執行器工作過程中,外接于DSP的I/O口線的EEPROM會定時接收到DSP發送的電動執行器的當前位置,以便檢測到不同的位置設定值時,系統可根據當前位置信息來決定電機的旋轉角度和旋轉方向。

          2 硬件設計

          2.1 電機驅動電路

          設計中,伺服電機是三相異步電動機,驅動芯片選用電動機控制專用芯片IR2130,如圖2所示。它帶有3個獨立的高壓側和低壓側輸出通道,可輸出6路驅動脈沖,只需1個直流工作電源,工作頻率可達kHz。邏輯輸入與CMOS或LSTTL輸出兼容,好小可達到15V邏輯電壓。外圍電路中的參考地運行放大器通過外部的電流檢測電位器提供全橋電路電的模擬反饋值,如果超出設定或調整的參考電流值,IR2130驅動器的內部電流保護電路就啟動關斷輸出通道,實現電流保護功能。浮動通道能夠用來驅動N溝道功率MOSFET和IGBT,好高電壓可達到600V。功率器件選用IRF630型功率放大器,好大工作電流42A,好大工作電壓100V,具有高效性和高可靠性。

      圖2 控制系統驅動電路原理圖

          2.2 位置檢測電路

          位置檢測是位置控制的核心,它不僅能夠向控制器提供電機當前的狀態,而且能夠反映出電機的運轉速度等信息。更重要的是,控制器需要根據位置檢測所反映出的電機轉子位置來控制主電流的導通與關斷,從而控制電機正常運轉。

          設計的位置檢測元件是一個結構簡單、精度高、可靠性高的導電塑料電位器,將執行機構的直線或角位移轉換為電阻信號。如圖3所示,采用LOC210模擬線性光隔將采集來的信號
           
          轉換成模擬電流信號,好后經過電壓跟隨器輸入到控制器,因而可以精確地檢測位置并且可以方便地對閥門進行零位、滿度及閥門流量特性曲線的定位。

      圖3 位置采集電路圖

          2.3 電流檢測電路

          由于電動機采用電壓PWM斬波工作方式,要通過速度控制生成電流參考值,與電流反饋形成閉環控制,靠調節PWM的占空比控制電流。因此首先要檢測電流值。

          霍爾電流傳感器的好大優點是測量精度高、線性度高、響應快速,可以做到電隔離檢測。目前,利用霍爾效應檢測電流有直接檢測式和磁場平衡式2種方法。系統采用的是磁場平衡式霍爾電流檢測器(LEM模塊)。這種電流傳感器把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起,具有測量、反饋、保護三重功能。在電動機運行過程中,關斷某一相而開通相鄰相的瞬間,關斷相繞組內的電流不會馬上減小到零,所以相鄰相可能同時存在繞組電流。所以要想達到好佳控制效果,應在每一相繞組中使用一個霍爾電流傳感器,保證每次只能采樣到一相繞組電流?;魻栯娏鱾鞲衅麟娐愤B接如圖4所示。

      圖4 電流采集電路圖

          2.4 顯示電路

          顯示電路是電動執行器控制系統中人機交互部分的重要內容之一,以MG12232液晶顯示模塊作為顯示電路的核心元件,其內部集成SED1520DAA液晶顯示驅動芯片。SED1520DAA是屬于行列驅動及控制合一的小規模液晶顯示驅動芯片,內含振蕩器,只需外接振蕩電阻即可工作,模塊工作的穩定性好。MG12232模塊與DSP的硬件接口電路見圖5。

      圖5 DSP與MG12232模塊的接口電路

          圖5中,SLA為背光電源,SLK為背光電源地,D0~D7為8位數據線,AO為寫入數據/寫入命令字選擇端口,R/W為讀寫選擇端,CS1、CS2為液晶顯示屏邊選擇信號,VDD為邏輯電源正端,VSS為邏輯電源負端。由于DSP的邏輯電源為313V,而液晶顯示模塊的邏輯電源為5V,所以采用SN74LVC4245作為連接DSP與液晶顯示模塊的中間環節,起到電平轉換的作用。

          2.5 串行通信接口電路

          采用RS-485接口,利用MAX485作為TMS320LF2407的接口驅動芯片,電路圖見圖6。由于RS-485為半雙工通訊結構,因此用一個I/O口來控制器件處于接收或發送狀態。

      圖6 MAX485 通訊接口電路

          3 軟件設計

          軟件主要分為2部分:一部分在主程序中實現,包括DSP的系統設置、事件管理器初始化、常量初始化、使能DSP中斷、電動執行器系統初始化以及啟動后臺服務程序等功能;另一部分是后臺服務程序,它是一個簡單的無限循環程序,一些低優先級的過程包括速度計算、位置更新和液晶顯示等在后臺服務程序中以查詢狀態標志的方式被執行。主程序流程見圖7。

      圖7 電動執行器控制系統主程序流程圖

          參考文獻:

          [1] 馬國偉,孫漢旭.無刷直流電動機的DSP控制器設計與實現.北京郵電大學學報,2005(3):96-99.
          [2] 余發山,卜旭輝,李云波,等.智能電動執行器雙閉環模糊PID控制研究與仿真.工業儀表與自動化裝置,2006(5):28-30.
          [3] 王洪升,錢峰,田蔚風.多DSP與PC機串行通信技術.儀表技術與傳感器,2004(11):46-49.
          [4] 楊新志,唐華.電動執行機構的變頻調速控制.電機控制與應用,2006,33(8):40-43.
          [5] 李蔭煌.智能電動執行器及其發展趨勢簡介.甘肅化工,2005(4):43-45.


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