CN102368677A - 一种电动执行机构的智能交流变频控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动执行机构的智能交流变频控制系统，包括硬件部分和软件部分，其特征在于：硬件部分采用模块化设计，包括微处理器、A/D及D/A转换器、中文显示电路，光隔离电路，三相整流电路，三相逆变电路，逆变驱动电路，高速强电隔离电路，浪涌保护电路，高频滤波电路，滤波电路和输出保护电路；各组成单元以微处理器为核心，采用星型方式与微处理器连接：A/D及D/A转换器嵌装在微处理器内；微处理器通过通信端口与中文显示电路相连；微处理器依次通过高速强电隔离电路、逆变驱动电路和三相逆变电路相连；软件部分包括主程序、人机界面处理程序、自动调试程序、故障处理程序、数模转换和数据处理程序及手动操作故障处理程序。
Description
技术领域
本发明涉及控制器技术，具体为一种电动执行机构的智能交流变频控制系统，适用于电厂、冶金、化工、石油、建材、轻工及水处理等行业生产过程的智能测量和自动控制。
背景技术
目前，公知的电动执行机构主要是由传感器、控制器、减速器、电机及联接部分组成。电动执行机构是用单相交流伺服电动机、三相交流伺服电动机、三相直流变频电机或三相交流变频电机为驱动装置的伺服机构。电动执行机构由与电动执行机构配接的控制器接受来自调节器或计算机的信号与电动执行机构传感器反馈回来的信号进行比较放大，输出足够大的功率，使电机旋转带动减速器工作，直到信号偏差小于死区为止，此时电动执行机构的输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。但是常规的电动执行机构采用模拟电路，调整设置繁琐，使用数码管显示不直观，要记代号，特别是驱动部分换向慢，精度低，而现有的变频控制器大多采用直流变频技术，直流变频调速控制不适合多换向系统，且应用在大功率电动执行器上起动困难，不适应现代工业控制需求。申请人的在先申请(201120212118.2)拟解决的问题是，220V供电的电动执行机构的智能控制方案。但该控制方案功能不够完善，不具备“柔性执行”功能，技术方案尚需改善。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种电动执行机构的智能交流变频控制系统，该智能交流变频控制系统采用SPWM交流变频技术，结构简单，设置容易，驱动转向快，控制精度高，适于工业化使用。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种电动执行机构的智能交流变频控制系统，包括硬件部分和软件部分，其特征在于：所述的硬件部分采用模块化设计，包括以下组成单元：微处理器、A/D转换器、D/A转换器，中文显示电路，光隔离电路，三相整流电路，三相逆变电路，逆变驱动电路，高速强电隔离电路，浪涌保护电路，高频滤波电路，滤波电路和输出保护电路；各组成单元以微处理器为核心，采用星型连接方式与微处理器连接：A/D转换器和D/A转换器嵌装在微处理器内；微处理器通过A/D转换器与光隔离电路相连；微处理器通过D/A转换器与客户使用的DCS系统调节器连接；微处理器通过通信端口与中文显示电路相连；微处理器依次通过高速强电隔离电路、逆变驱动电路和三相逆变电路相连；外接三相电源经过浪涌保护电路、高频滤波电路及三相整流电路后，得到脉动的直流电压，经电容器滤波后供给三相逆变电路，由微处理器产生SPWM信号，经过高速强电隔离电路、再通过逆变驱动电路控制三相逆变电路产生频率可变的三相正弦交流电，通过输出保护电路控制三相交流变频电机运行；
所述的软件部分包括主程序、人机界面处理程序、自动调试程序、故障处理程序、数模转换和数据处理程序及手动操作故障处理程序。
与现有技术相比，本发明电动执行机构智能交流变频控制系统选用了新型微处理器，增加了三相整流电路和三相逆变电路等电路，并引入了SPWM交流变频技术，有益效果是：1.采用交流变频控制技术，更适合应用在大功率执行机构上；2.采用交流变频控制技术，使电动执行机构具有″柔性启动″、″柔性停机″、柔性到达极限位置停机的功能；3.可调整电机运行速度；4.采用数字比较方式，微处理器处理速度快、采用智能定位、自适应算法和电器刹车功能使得定位更加准确，使电动执行机构适于工业化使用。另外，本发明控制系统采用中文显示方式，按键输入，设置简洁，使用方便，适于工业化推广使用。
附图说明
图1为本发明电动执行机构的智能交流变频控制系统一种实施例的整体结构组成示意图；
图2为本发明电动执行机构的智能交流变频控制系统一种实施例的系统设置流程示意图；
图3为本发明电动执行机构的智能交流变频控制系统一种实施例的系统运行流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和其附图对本发明做进一步说明。
本发明设计的电动执行机构的智能交流变频控制系统(简称控制系统，参见图1-3)，包括硬件部分和软件部分。其特征在于：所述的硬件部分采用模块化设计，包括以下组成单元(参见图1)：微处理器、A/D转换器、D/A转换器，中文显示电路，光隔离电路、三项逆变电路和三相整流电路，浪涌保护电路，高频滤波电路，滤波电路，输出保护电路和高速强电隔离电路1；各组成单元以微处理器为核心，采用星型连接方式与微处理器连接：A/D转换器和D/A转换器嵌装在微处理器内；微处理器通过A/D转换器与光隔离电路相连；微处理器通过D/A转换器与调节器(DCS)连接；微处理器通过通信端口与中文显示电路相连；微处理器通过高速强电隔离电路1、逆变驱动电路与三项逆变器相连；
所述的软件部分包括主程序、人机界面处理程序、自动调试程序、故障处理程序、数模转换和数据处理程序及手动操作故障处理程序。
本发明控制系统根据智能化、模块化、可靠性高、抗干扰能力强和成本低等原则设计。控制核心微处理器采用32位基于ARM处理器STM32F103。该微处理器为先进的CorteXTM-M3结构的工业级32位微处理器，具有速度快、功能强和价格低等特点，其最高工作频率可达72MHz，有64K字节的片内SRAM、256字节的电可擦可编程只读存储器EEPROM、256K字节的片内FLASH存储器，8路12位A/D，2路12位D/A及CAN、SCI、I2C、SPI等通讯接口。
本发明控制系统应用内部的A/D转换器进行阀门(电动执行机构以阀门为例，下同)位置信号及输入控制信号的采集，利用脉宽调制PWM输出经过滤波后的位置信号，利用EEPROM存储器进行通讯存储设置值，利用串行通信接口SCI通过MAX485接口芯片与上位机进行数据交换，充分利用了该芯片的内部资源，节约了成本。
本发明控制系统的信号输入部分利用CorteXTM-M3 STM32F103内部12位高速A/D转换，将输入的模拟信号和阀门位置反馈的模拟信号进行量化，采用REF02作为A/D的基准电压，其温度漂移系数为3PPM/℃。
本发明控制系统的信号输出部分CorteXTM-M3 STM32F103有2通道12位高速D/A，每个通道有独立的计数器。选用片内具有自动相位控制，死区控制的16位高级计数器生成SPWM信号，控制逆变器产生频率可变的三相正弦交流电驱动电机运行，利用其中一路PWM作为模拟量输出信号；同时选择I/O口PTB6作为继电器开关量输出的控制信号。
本发明控制系统在工业现场使用时，会涉及到各种仪表、传感器及执行机构，会由于各种原因引入干扰信号，特别是可能存在各种危险的强电压信号。为了保证控制系统的安全，保证控制系统检测信号的正确性和运行的可靠性，本发明控制系统采用现有技术的光耦合电路对输入输出信号进行隔离。实施例的光隔离电路为HCNR201型光耦合隔离电路。
为了完成工业现场远程控制和组网的需要，本发明控制系统支持RS485通讯方式。实施例的电平转换芯片采用MAX485。实际工作时，可以与上位机进行远程通讯，进行运行方式的设定，并监控控制系统的运行状态。
本发明控制系统的电机驱动采用交流变频技术，外接三相电源经过浪涌保护电路、高频滤波电路及三相整流电路后得到脉动的直流电压经电容器滤波后供给三相逆变电路。由微处理器产生SPWM信号经过高速强电隔离1再通过逆变驱动电路控制三相逆变电路，产生频率可变的三相正弦交流电通过输出保护电路控制三相交流变频电机运行。
本发明控制系统的实际设计中，所述HCNR631型光耦合高速强电隔离电路的二极管前向电流为15mA，因而可以由STM32F10型微处理器的I/O口采用灌电流方式直接驱动。
本发明控制系统的工作过程是(参见图1)：来自控制室自调节器(DCS)的指令信号(实施例为4-20mA)经调理电路1、I/V转换电路及光隔离电路隔离(电压信号U1)传输到微处理器(MCU)的A/D转换器，进行指令信号(数字信号X1)的采集；执行机构传感器的阀位信号(电压U2)经过调理电路2，也送到微处理器的A/D转换器，进行阀位信号(数字信号X2)的采集，然后微处理器对采集到的指令信号(X1)和阀位信号(X2)进行比较运算。
(1)微处理器生成SPWM信号经高速强电隔离1及逆变驱动电路起动三项逆变电路，使之产生频率可变的三相正弦交流电通过输出保护电路控制三相交流变频电机运行，带动减速器工作，阀门相应动作，使执行机构的输出轴稳定在与指令信号相对应的位置上，直到信号偏差小于死区为止，完成调节。
(2)微处理器同时把指令信号(X1)和阀位信号(X2)送到中文显示电路进行指令(给定)值和阀位(开度)值的直观显示。
(3)微处理器同时把阀位信号(X2)送给D/A转换器，经V/I转换电路转换为返馈信号(实施例为4-20mA)，回送到控制室的自调节器(DCS)。
本发明所述软件部分包括主程序、人机界面处理程序及自动调试、故障处理、数模转换、数据处理和手动操作故障处理等子程序。主程序设置流程和运行流程如图2、3所示。
本发明控制系统的软件采用中断方式设计，包括主程序设计和子程序设计。在主程序中进行系统的初始化、控制参数设置、控制方式选择、位置检测、指针跟随以及故障处理等工作，其中，
(1)“系统初始化”的程序处理过程为：系统上电后，首先进行初始化设置，包括I/O初始化、A/D初始化、EVA以及SCI初始化等，而后从EEPROM中读取上次运行设定的参数值，包括行程初值、终值、限位值、灵敏度值以及控制方式选择标志位，并将这些参数存入数据寄存器中。
(2)“控制参数设置”程序处理过程为：根据阀门的实际阀位标定(参见图1)滑动点B随时体现阀门的实际阀位，阀门的全关位对应电位器的A点，阀门的全开位对应电位器的C点，对全关、全开位进行采集并存入EEPROM中。过程控制参数：限位值、灵敏度值、刹车时间等观察显示屏用按键控制输入进行设定。
(3)“选择控制方式”的程序处理过程为：根据控制方式标志，进入相应的程序分支，可选本地遥控控制或手动操作2种控制。本地2种控制方式可根据需要由控制者切换，切换方式简单可靠。远程控制：标准4～20mA电流信号或开关量控制。远程2种控制方式可根据需要由控制者切换。
(4)“位置检测”程序处理过程为(参见图1)：电位器的滑动点B随时体现阀门的实际阀位，每个循环中都对电位器的滑动点B对采样位置，实时对阀门的位置检测
(5)“指针跟随以及故障处理”的程序处理过程为：每个分支的循环中采样位置反馈信号，与上次采样值比较作差，差值转化为脉冲数驱动指针旋转，实时跟随阀位，直到电机停止，指针便指示当前位置，掉电后依然能够保持，旋转方向由差值的符号决定。当检测到故障信号时，系统停止运行。
子程序的设计包括：行程在线标定、红外遥控中断，中文显示，A/D采样、SCI通信、PWM输出等。子程序为现有技术。
本发明控制系统采用4个键复用的方法实现对系统的控制及参数设定。4个键的定义分别为开↑(Open)、关↓(Close)、确认E(Enter)、设置S(Set-Run)。设置S键为功能键，按此键进入设置菜单。开、关键可用于增加和减小当前数值或进行参数选择，在手动操作中，开、关键代表向上或向下指令。S键也为切换键，可以改变当前输入焦点，配合开、关键，可以很方便的实现任意数字的输入。
本发明控制系统在电机控制算法上采用PID调节，避免了超调、振荡的发生，同时可选直接比例控制和比例+步进控制等控制方式，使控制系统能适用不同类型的电机。
本发明控制系统在运行过程中，能够判断各种故障状态，一旦发现故障，立即报警显示，同时输出一组继电器开关量信号给用户，并立即切断电机电源。
本发明控制系统的软件设计还有如下功能：只要调整好限位开关后，作一次自整定，即可随时调整阀门两端位置，极大地方便了用户。系统还提供RS485通讯协议，用户可以通过上位机编程控制阀门，使阀门联网通讯及计算机控制更加方便。
本发明控制系统除了具有常规控制系统的功能，如对现行的多种信号兼容功能、指令信号失效判断功能、位置发送器信号失效判断功能、电机超温保护、机械限位及过力矩保护和瞬间防反转功能之外，还具有以下独特的功能：伪指令判断剔除功能、自动调整电机转动方向功能(相序校正)、电源缺相保护报警功能、自适应定位功能、电器制动(刹车)功能、堵转判断与处理功能等。其中，
所述伪指令判断剔除功能是指对控制指令的变化进行比较、判断，对瞬间的变化伪指令进行剔除，防止误触发，当确认是控制指令信号变化时执行，否则保持原状态，大大提高执行器的抗干扰能力。
所述自动调整电机转动方向功能(相序校正)是指控制器能在行程标定时自动识别相序调整电机转动方向，并自动调整为需要的方向，无需人工介入。
所述电源缺相保护报警功能是指针对三相电机在使用中由于电源缺相造成的损坏，采用了电流检测方法对电源缺相检测，当电源缺一相或两相时，显示“电源缺相”，同时停止电机转动，保障了电机不会因电源缺相而损坏。
所述自适应定位功能是指采用独特的自适应算法确定发出电机停止信号的时间，大大地提高了定位精度，克服了执行器刹车机构的惯性、磨损或负载力(矩)的变化等因素引起的变化，自适应定位软件均可进行自适应运算，找出最佳的停机时间，减少电机的起动次数，保证精确定位，大大降低了基本误差。
所述电器制动(刹车)功能是指对于惯性过大的三相交流伺服电机，可启用电器制动功能，以减小电机惯性带来的跟踪误差，提高控制系统的定位精度。本发明控制系统是采用直流能耗制动，依靠电机来身消耗动能达到停车，但这会引起电机温度上升，在设置时应选择尽可能短的制动时间。实施例的控制系统默认制动时间是1.0秒。
所述堵转判断与处理功能是指如果阀门出现堵转或其它机械故障导致阀门不动作时，控制系统会自动控制电机反转一小步，然后再按原方向即正转运转，如果堵转消失，转入正常运行；如果堵转继续，则重复反转后退与正转前进三次。三次进退尝试后，如果堵转消失，按正常情况处理，如果堵转仍不能消失，则立即关断电机电源，并发出报警信号。
本发明控制系统所述″柔性启动″功能是指在启动瞬间，控制器自动以最低转速启动(软起动)，可保证以最大转矩启动；启动电流永远都不会超过电机的额定电流。
所述″柔性停机″功能是指在运行中以指令值和阀位的误差大小自动调整电机的转速，大误差时提高运行速度，在接近停机位时以最低速度运行到停机位，能有效的减小流体的″水锤效应″，实现精确的微调和定位。
所述柔性到达极限位置停机是指在接近″全开″和″全关″两个极限位置时，会自动以最低的速度运行。保证以最大力矩将阀门开到位或关到位；可避免因惯性造成的冲击力矩对阀门的冲撞，保护阀门，延长其使用寿命。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种电动执行机构的智能交流变频控制系统，包括硬件部分和软件部分，其特征在于：所述的硬件部分采用模块化设计，包括以下组成单元：微处理器、A/D转换器、D/A转换器，中文显示电路，光隔离电路，三相整流电路，三相逆变电路，逆变驱动电路，高速强电隔离电路，浪涌保护电路，高频滤波电路，滤波电路和输出保护电路；各组成单元以微处理器为核心，采用星型连接方式与微处理器连接：A/D转换器和D/A转换器嵌装在微处理器内；微处理器通过A/D转换器与光隔离电路相连；微处理器通过D/A转换器与客户使用的DCS系统调节器连接；微处理器通过通信端口与中文显示电路相连；微处理器依次通过高速强电隔离电路、逆变驱动电路和三相逆变电路相连；外接三相电源经过浪涌保护电路、高频滤波电路及三相整流电路后，得到脉动的直流电压，经电容器滤波后供给三相逆变电路，由微处理器产生SPWM信号，经过高速强电隔离电路、再通过逆变驱动电路控制三相逆变电路产生频率可变的三相正弦交流电，通过输出保护电路控制三相交流变频电机运行；
所述的软件部分包括主程序、人机界面处理程序、自动调试程序、故障处理程序、数模转换和数据处理程序及手动操作故障处理程序。
2. 根据权利要求1所述电动执行机构的智能交流变频控制系统，其特征在于所述的微处理器采用32位基于ARM处理器STM32F103。
3.根据权利要求1所述电动执行机构的智能交流变频控制系统，其特征在于所述的光隔离电路为HCNR201型光耦合隔离电路。
4. 根据权利要求1所述电动执行机构的智能交流变频控制系统，其特征在于所述的高速强电隔离电路采用MOC3081型光耦合高速强电隔离电路。
5.根据权利要求1所述电动执行机构的智能交流变频控制系统，其特征在于所述的MOC3081型光耦合高速强电隔离电路的二极管前向电流为15 mA。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120307 |