CN101478197A - 基于变频控制技术的智能电动执行器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变频控制技术的智能电动执行器装置。它主要包括：开关磁阻电机，执行器控制器，执行器位置传感器，减速箱，电气接线盒，手轮，蜗杆，输出力臂；所述的开关磁阻电机是变频控制的开关磁阻电机，作为电动执行器位置控制电机元件，实现电动执行器的精确微调和定位；所述的控制器是用集成芯片DSP为内核、SPM模块为功率变换单元、PROFIBUS总线为通讯介质，形成的电动执行器整体控制结构。本发明安装灵活方便，机械结构简单，性能稳定可靠，可广泛用于冶金、石油、电站、化工、轻纺等工业部门的生产过程自动调节。

Description

基于变频控制技术的智能电动执行器装置

技术领域：

本发明涉及电动执行器技术，特别涉及一种基于变频控制技术的智能电动执行器装置。

技术背景：

电动执行器是过程自动化链的重要组成部分，是工业过程控制系统中重要的终端设备，其能源取用方便、安装调试简单，在电力、冶金、石油、矿山等工业部门得到广泛的应用。

常用的电动执行器采用异步电机作为执行器动力源，电机转速不可调，无法实现准确定位，在一些精度要求高、稳定性要求高的场合使用效果不佳，并且调节阀门开关速度时需要更换传动齿轮或减速箱，效率低下；电磁抱闸容易失灵，造成惯走、抱死；堵转或过载时，电机或分相电容易烧坏；无法与上位机进行通讯连接，不能与其它仪表的状态相互通讯。随着能源、化工、钢铁、运输和建筑等现代工业的高速发展，对电动执行器的功能和要求不断提高，迫切需要智能化的新一代电动执行器产品，以提高生产效率。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于变频控制技术的智能电动执行器装置，应用开关磁阻电机步进传动的动态定位技术，使用变频控制的开关磁阻电机作为电动执行器的位置控制执行元件，为电动执行器提供高精度的定位、快速控制模式，实现精确微调和定位；本发明的电动执行器各行程区间阀门开关速度可自行设定，无需更换减速箱便可以优化阀门调节功能，具备“柔性启动”和“柔性制动”功能，最大程度的保护阀门。使用的开关磁阻电机缺相、过载仍可运行，不必校正相序。使用的集成芯片DSP实现了过流、过压、过温等故障信号软硬件分级多层次保护，实现了电流、转矩双重保护，保证输出力矩不会超过设定值，防止阀门卡死。

本发明提供的基于变频控制技术的智能电动执行器装置主要包括：变频控制的开关磁阻电机，执行器控制器，执行器位置传感器，减速箱，电气接线盒，手轮，蜗杆，输出力臂。所述的变频控制开关磁阻电机是本发明电动执行器的位置控制电机，通过变频电压斩波方式调节电机各相绕组的电压平均值，间接地限制和调节开关磁阻电机的绕组电流，实现电机的无级调速运行。

所述的基于变频控制技术的电动执行器装置使用集成芯片DSP为内核、SPM模块为功率变换单元、PROFIBUS总线为通讯介质的电动执行器整体控制结构，形成集数字化、网络化、模块化、变频控制为一体的智能电动执行器。

所述的变频控制的开关磁阻电机轴与蜗杆同轴，电机轴与驱动轴套的星型齿轮相连，经过减速箱的涡轮蜗杆传动减速，转化为输出力臂的直线位移。

所述的执行器位置控制执行元件每个步进角为15°，通过电机轴传动至减速箱，最终实现输出力臂的精确微调和定位。

所述的开关磁阻电机轴与执行器的星型齿轮相连，经过减速箱体，输出力臂行程区间阀门开关速度：在全行程开始的S1范围内以低转速启动，之后速度迅速上升到V1运行，在全行程结束前的S2范围内减速，电机转速逐步减小直至阀门全关；低转速行程范围S1、S2可调，用户设定速度V1可调，V1可以通过操作面板或者通过PROFIBUS设定；全行程时间20s-160s可调，优化了阀门调节功能。

所述的变频控制的开关磁阻电机内部有用于电机转子位置检测的光电位置传感器，光电位置传感器输出的位置信号与控制器的位置信号输入引脚(CAP/QEP)连接。

所述的基于变频控制技术的智能电动执行器装置的控制电路驱动控制系统包括：数字控制芯片以及外设，总线通信模块，功率变换模块，外部输入输出单元，位置检测、电流检测单元，温度电压保护单元，数字电源、人机接口。

所述的执行器控制器中封装有控制电路板、功率电路板；控制电路板使用集成芯片DSP为内核，DSP综合处理来自上位机的命令信号、传感器的输出信号，通过控制PWM信号，来控制电机使执行机构以一定或可变速度到达某一位置，实现对阀门位置的控制；功率电路板为SPM变频控制模块，接收PWM信号，根据所给PWM信号向位置控制执行元件开关磁阻电机提供运转所需的能量。功率电路板输出电机的转子位置信号至控制电路板DSP位置信号输入引脚(CAP/QEP)，电流检测信号至AD7863，经A/D转换后输入控制电路板DSP的数据总线，故障编码输出至控制电路板DSP的数据总线；控制电路板输出PWM开关信号至功率电路板的CPLD，经译码后传送到功率模块控制功率电路的开关闭合、执行器运行方向信号由DSP的IOPC6引脚输出至功率电路板上的CPLD，CPLD(Complex ProgrammableLogic Device)使能信号由DSP输出接至功率电路板上的CPLD。

所述的基于变频控制技术的智能电动执行器装置的控制器CPU的数据总线、地址总线信号，接入CPLD产生片选信号，输出至PROFIBUS标准接口模块，和PROFIBUS主站实现双向实时通讯。

所述的电动执行器的控制器通过CPLD译码，通过DSP的I/O空间进行故障信号的读取；故障信号输入CPLD，经过译码后接入CPU产生故障编码，进行故障代码的识别和相应的逻辑控制；故障信号包括电机过压、欠压，电机过流，电机过温故障信号，SPM功率模块的故障信号。

所述的电动执行器的控制器使用COM口与计算机进行通讯，上位机的COM通讯接口经过RS-232串行通讯接口连接至执行器控制器的COM口，实现上位机和电动执行器的双向数据通讯。

所述的执行器位置传感器安装在电气接线盒内。

所述的控制器有本地操作面板，本地操作面板有液晶显示器和操作按钮，操作按钮包括四个功能键：上键、下键、万能键、确定键，操作按钮采用磁性非接触性开关，功能键连接到DSP的串行通讯口，DSP通过串行通讯口查询上述功能键的高低电平状态。

所述的本地操作面板可以使用红外遥控非接触方式对控制器进行控制。

所述的蜗杆的另一端安装手轮。

由于采用上述的技术方案，本发明基于变频控制技术的智能电动执行器具有以下的有益效果：采用开关磁阻电机作为电动执行器的位置控制执行元件，利用开关磁阻电机步进传动的动态定位技术，为执行器提供高精度的定位、快速控制模式，使电动执行器的定位精度达到1％；各行程区间阀门开关速度自行设定，无需通过更换执行器减速箱，就可以实现全行程时间可调，优化了阀门调节功能；利用开关磁阻电机的无级变频调速特性，实现S9高频次动作，最高频率可达到6000次/小时。

本发明基于变频控制技术的智能电动执行器装置采用灵活的磁性非接触性开关，提高了系统的防护等级；红外遥控器，无需打开执行器盖便可以实现无线连接，满足全封闭的防爆要求；先进的现场总线技术，是电动执行器接入PROFIBUS通信网络，网络化的智能电动执行器，可靠性高，通信功能强，诊断保护功能完善。

本发明的基于变频控制技术的电动执行器装置安装灵活方便，机械结构简单，性能稳定可靠，可广泛用于冶金、石油、电站、化工、轻纺等工业部门的生产过程自动调节。

附图说明

图1是基于变频控制技术的智能电动执行器装置外型结构示意图。

图2是基于变频控制技术的智能电动执行器装置的步进传动系统结构框图。

图3是电动执行器整体控制结构图。

图4是开关磁阻电机的截面图。

图5是开关磁阻电动机的功率变换电路。

图6是PWM变频控制的开关磁阻电机绕组电流。

图7是全行程区间阀门开关速度示意图。

图8是基于变频控制技术的智能电动执行器装置的驱动控制系统结构框图。

图9是PROFIBUS通讯控制程序流程图。

图10是故障识别图诊断过程图。

图11是CPLD处理故障的控制程序流程图。

图12是COM通讯的程序流程图。

图13是红外遥控单片机解码的程序流程图。

图14是操作按钮的控制程序流程图。

具体实施方式

如图1所示基于变频控制技术的智能电动执行器装置结构，1-变频控制的开关磁阻电机，2-减速箱，3-电气接线盒，4-控制器，5-液晶显示器，6-按钮，7-手轮，8-蜗杆，9-输出力臂。

本发明提供的基于变频控制技术的智能电动执行器装置主要包括：变频控制的开关磁阻电机1，减速箱2，电气接线盒3，执行器控制器4，执行器位置传感器，手轮7，蜗杆8，输出力臂9。

本发明的基于变频控制技术的智能电动执行器装置的步进传动系统结构框图如图2所示，功率电路接受控制器发出的PWM信号，向开关磁阻电机提供运转所需的能量；控制器接收速度指令、速度反馈信号、电流传感器和转子光电位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关IGBT的开合状态，实现对开关磁阻电机1运行状态的控制。

基于变频控制技术的电动执行器装置使用集成芯片DSP为内核、SPM模块为功率变换单元、PROFIBUS总线为通讯介质的电动执行器整体控制结构，形成集数字化、网络化、模块化、变频控制为一体的智能电动执行器，整体控制结构如图3所示。

变频控制开关磁阻电机1是本发明电动执行器的位置控制电机，四相8/6极结构的电机截面如图4所示，由SPM模块化的开关磁阻电机的功率电路(图5所示)通过变频电压斩波方式调节电机各相绕组的电压平均值，间接地限制和调节开关磁阻电机的绕组电流，如图6所示，实现电机的无级调速运行。电机每相绕组通电为30°机械角，从图4所示的初始位置起，按照AD-AB-BC-CD的导通顺序，在四相共60°的周期中，每隔30°单相换相一次，电机步进运动每步为15°，电机的步进运行通过电机轴，经过减速箱2传动后，实现输出力臂9的精确微调。按照电机的工作转速，电机步进运动每步15°需要0.6秒，可以实现6000次/小时的高频开断。

变频控制的开关磁阻电机轴与蜗杆8同轴，电机轴与驱动轴套的星型齿轮相连，经过减速箱的涡轮蜗杆传动减速，转化为输出力臂9的位移。

开关磁阻电机轴与执行器的星型齿轮相连，经过减速箱2，输出力臂9行程区间阀门开关速度：在全行程开始的S1范围内以低转速启动，之后速度迅速上升到V1，在全行程结束前的S2范围内减速，电机转速逐步减小直至阀门全关，如图7所示；行程范围S1、S2可调，速度V1可调，全行程时间20s-160s可调；行程范围S1、S2，速度V1可以通过操作面板的按钮设定或红外遥控设定，或者通过PROFIBUS总线通讯由上位机设定。

变频控制的开关磁阻电机1内部有用于电机转子位置检测的光电位置传感器，输出的位置信号与控制器4中的DSP位置信号输入引脚(CAP/QEP)连接，如图8所示。

执行器控制器4中封装有控制电路板、功率电路板。控制电路板使用集成芯片DSP为内核，综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置，速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向功率变换器发出一系列PWM开关信号，进而控制开关磁阻电机运行。功率电路板为SPM变频控制模块，接收PWM信号，根据所给PWM信号向位置控制执行元件开关磁阻电机提供运转所需的能量。功率电路输出电机的转子位置信号，电流检测信号，故障编码至控制电路板；电机的转子位置信号输出至DSP位置信号输入引脚(CAP/QEP)，电流检测信号输出至AD7863经转换后，传入DSP的数据总线，故障编码传输至DSP的数据总线，如图3所示；控制电路板输出PWM开关信号、执行器运行方向信号和CPLD使能信号至功率电路板，PWM开关信号输出至功率电路板上的CPLD，经过其内部译码后，传送到功率模块控制功率电路的开关闭合，执行器运行方向信号由DSP的IOPC6输出到功率电路板上的CPLD，根据限位开关的状态决定是否封锁PWM开关信号，CPLD使能信号至功率电路板上的CPLD，如图3所示。

功率模块的功率变换电路如图5所示，为SPM变频控制模块，接收控制器发出的PWM信号，根据所给PWM信号控制电路中IGBT开关的开合状态，由此控制电机各相绕组的导通，向位置控制执行元件开关磁阻电机提供运转所需的能量，来控制电机使执行机构以一定或可变速度到达某一位置，实现对阀门位置的控制。

控制电路驱动控制系统组成如图8所示：数字控制芯片以及外设，总线通信模块，功率变换模块，外部输入输出单元，位置检测、电流检测单元，温度电压保护单元，数字电源、人机接口。

采用交流电源220V接入电源逆变器，经整流后的直流电压为功率模块提供电源；另外，电源逆变器将产生开关电源给CPU部分供电。

开关量输入和4-20mA的模拟输入，为CPU提供开关、位置命令，根据控制策略CPU控制电机的运行情况；CPU通过位置检测输出力臂4位置，控制力臂4定位；开关量输出和4-20mA的模拟输出，反馈给上位机。

基于变频控制技术的智能电动执行器装置，其控制器CPU的数据总线、地址总线信号，经过CPLD，由其内部的3/8译码器产生片选信号，输出至PROFIBUS标准接口模块，和PROFIBUS主站实现双向实时通讯，PROFIBUS通讯控制程序流程图如图9所示。

电动执行器的控制器通过CPLD进行数据锁存、转换译码，利用DSP的I/O空间进行故障信号的读取，故障信号包括电机过压、欠压，电机过流，电机过温故障信号，SPM功率模块的故障信号；故障信号输入CPLD，经过译码后接入CPU产生故障编码，进行故障代码的识别和相应的逻辑控制，如图10所示。

在电机的功率电路中使用分压电阻，获取直流母线电压值，经过与正常电压范围值的比较，判断绕组电压是否过大，大于正常值范围时输出故障信号；电机绕组主回路串联霍尔电流传感器，传感器信号经过A/D转换，接入数据总线，由移植到DSP上的代码实现过流检测，电流值大于正常值范围时输出故障信号；变频控制的开关磁阻电机1内部有过热保护热敏电阻，当电阻值变化到电机可承受的最高温度时的相应值，输出故障信号；SPM功率模块内含过电流、短路、过热、驱动电源欠压故障识别，发生故障时产生故障信号。故障信号输入CPLD，经过译码后信号接入CPU产生故障编码，进行故障代码的识别和相应的逻辑控制，CPLD处理故障的控制程序流程如图11所示。

电动执行器的控制器使用COM口与计算机进行通讯，上位机的COM通讯接口经过RS-232串行通讯接口连接至执行器控制器的COM口，实现上位机和电动执行器的双向数据通讯，COM通讯的控制程序流程如图12所示。

执行器位置传感器安装在电气接线盒内，即电动执行器的输出力臂9配的塑料电位器，固定在电气接线盒内部，用于执行器输出力臂9的位置检测。当执行器的输出力臂9，转到设定输出区域的两个极限，力臂9压下限位开关，CPU检测到限位开关被压下的信号，给电机断电，实现限位保护，防止阀门卡死。

本发明的智能电动执行器装置可以使用红外遥控非接触方式对控制器进行控制，实现对电机的运行控制。控制器4带本地操作面板，本地操作面板上有液晶显示器5和操作按钮6，并可以使用红外遥控非接触方式对控制器进行控制。液晶显示5经过数据总线和I/O扩展实现其显示功能，按钮6连接到DSP的通用I/O口，操作按钮6按下或者控制器4接收到红外信号时，DSP执行相应的程序，信号经过运算处理后，由液晶显示。

红外信号由红外发射器SC6121生成，TSOP1238红外接收器接受信号后，将信号传给单片机89CT2051，经过单片机的解码(解码程序流程如图13所示)，输出信号到DSP的串行通讯口；操作按钮6共包括四个功能键，分别为：上键、下键、万能键、确定键。功能键按钮采用磁性非接触性开关。四个功能键连接到DSP的串行通讯口；DSP通过串行通讯口查询上述功能键的高低电平状态，决定是否转入相应的功能子程序，流程图如图14所示；操作按钮6为磁性非接触式开关，通过使用磁性非接触式开关有利于提高系统的防护等级。

开关磁阻电机轴与蜗杆8相连，蜗杆一端连接手轮7。

Claims (10)

1、一种基于变频控制的智能电动执行器装置，特征在于其主要包括：开关磁阻电机，执行器控制器，执行器位置传感器，减速箱，电气接线盒，手轮，蜗杆，输出力臂；所述的开关磁阻电机是变频控制的开关磁阻电机，作为电动执行器位置控制电机元件，实现电动执行器的精确微调和定位；所述的控制器是用集成芯片DSP为内核、SPM模块为功率变换单元、PROFIBUS总线为通讯介质，形成的电动执行器整体控制结构。

2、按照权利要求1所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的电动执行器位置控制电机每个步进角为15°，电机轴与执行器的星型齿轮相连，经过减速箱传动，实现输出力臂的微调和精确定位。

3、按照权利要求2所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的开关磁阻电机轴与执行器的星型齿轮相连，经过减速箱体，输出力臂行程区间阀门开关速度；低转速行程范围S1、S2可调，用户设定速度V1可调，全行程时间20s-160s可调；低转速行程范围S1、S2，用户设定速度V1通过操作面板或者通过PROFIBUS设定。

4、按照权利要求1所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的执行器控制器包括：数字控制芯片以及外设，总线通信模块，功率变换模块，外部输入输出单元，位置检测、电流检测单元，温度电压保护单元，数字电源和人机接口。

5、按照权利要求1所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的执行器控制器中封装有控制电路板和功率电路板，功率电路板输出电机的转子位置信号接至控制电路板DSP引脚，电流检测信号接至AD7863，经转换后输入控制电路板DSP的数据总线，故障编码输出至控制电路板DSP的数据总线；控制电路板输出PWM开关信号接至功率电路板的CPLD，经译码后接至功率模块、执行器运行方向信号由DSP的IOPC6引脚输出至功率电路板上的CPLD，CPLD使能信号由DSP输出接至功率电路板上的CPLD。

6、按照权利要求1所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的执行器控制器CPU的数据总线、地址总线信号，接入CPLD产生片选信号，输出至PROFIBUS标准接口模块，和PROFIBUS主站实现双向实时通讯。

7、按照权利要求1所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的控制器是通过CPLD译码，通过DSP的I/O空间进行故障信号的读取；故障信号输入CPLD，经过译码后接入CPU产生故障编码，进行故障代码的识别和相应的逻辑控制；故障信号包括电机过压、欠压，电机过流，电机过温故障信号，SPM功率模块的故障信号。

8、按照权利要求1所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的控制器是使用COM口与计算机进行通讯，上位机的COM通讯接口经过RS-232串行通讯接口连接至执行器控制器的COM口，实现上位机和电动执行器的双向数据通讯。

9、按照权利要求1所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的控制器设有本地操作面板，本地操作面板有液晶显示器和操作按钮，操作按钮包括四个功能键：上键、下键、万能键、确定键；操作按钮采用磁性非接触性开关；功能键连接到DSP的串行通讯口，DSP通过串行通讯口查询上述功能键的高低电平状态。

10、按照权利要求9所述的智能电动执行器装置，其特征在于所述的本地操作面板使用红外遥控非接触方式对控制器进行控制。

Images