CN106763983A - 一种新型无刷直流电机的电动执行机构控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业、农业和家用电器等领域，提出一种方法——采用无刷直流电机代替传统电动执行机构中的伺服电机，解决了传统电动执行机构出现的定位不准确或由于电磁抱闸失灵造成的惯走、摆头或打不开的问题；采用本方法设计出的控制装置在硬件方面采用单片机，控制电机快速正转或反转，从而达到控制阀门，运行到指定开度位置，控制精度可达±1％，另一方面利用LCD就地实时显示阀门开度及现场参数，同时控制器通过总线无线网络将实际开度位置、系统的现场参数送控制中心，并接收上位机控制命令，并且现场总线上可以挂若干个控制装置，组成以上位机为主机的现场总线控制网络，并可以通过人机界面预先设定阀门的灵敏度、零点和行程等整定参数。
Description
技术领域
本发明属于工业、农业和家用电器等领域。
背景技术
电动执行机构是电动单元组合仪表中的执行单元，广泛应用于冶金、电力、化工等部门，是一种数量大、应用广泛的产品。它由控制装置和执行机构两个在电路上完全独立的部分组成，接受来自调节器的电控信号，将其线性地转换成机械转角或直线位移，用来操纵风门、挡板、阀门等调节机构，以实现自动控制。减轻运行人员的体力劳动强度。电动执行机构既是一种电动阀门的部件，又是一种工业控制自动化系统中的一个相当重要的基础装置。传统的电动执行机构动态性能不理想，定位不准确，本发明提出一种方法——采用无刷直流电机代替传统电动执行机构中的伺服电机，很好地解决了传统电动执行机构出现的定位不准确或由于电磁抱闸失灵造成的惯走、摆头或打不开的问题；采用本方法设计出的控制装置可以使电动执行机构结构简单，位置精确，很好地解决了传统电动执行机构硬件结构复杂、定位不准确的问题，同时也降低了系统的成本。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种采用无刷直流电机代替传统电动执行机构中的伺服电机的方法，传统的无刷直流电机传统脉宽调制电流控制会产生较大的电磁转矩脉动，且对非理想反电势产生的转矩脉动没有抑制能力。这种情况对于电动执行机构来说对其控制精度及稳定性有很大的影响。本发明采用了一种无刷直流电机的直接转矩控制方法。采用转矩滞环比较器的输出和磁极位置信号来选择电压空间矢量；其中，电压信号(100)和电流信号(101)经相应的线性变换后送入离散滑模观测器(201)，离散滑模观测器(201)输出的信号经数字低通滤波(301)即可得到无刷电机的反电势估算值，从而计算出电磁转矩；根据无刷电机的转速进行速度计算(300)，并由此进行无刷电机的转矩控制。
电磁转矩的计算精度对直接转矩控制系统的性能有很大的影响。该方法可以有效抑制由非理想反电势引起的电磁转矩脉动和低速换相电磁转矩脉动。
本发明实施例的另一目的在于提供一种可以用于电动执行机构的精确快速控制的装置。本控制装置可以预先设定阀门的灵敏度、零点和行程等整定参数，接受上位机发送来的阀门开度设定信号，并将此信号与开度反馈信号相比较，由单片机按一定控制策略，向消除其差值的方向驱动和控制电机正转或反转，从而使阀门开启和关闭。运行到指定开度位置，同时控制器一方面通过总线无线网络将实际开度位置、系统的工作状态会送控制中心，另一方面利用LCD就地实时显示阀门开度及系统的工作状态。另外，现场总线上可以挂若干个阀门控制器，组成以上位机为主机的现场总线控制网络。
所述装置包括：
系统辅助电源电路，采用单片集成开关电源芯片VIPer53构成辅助电源电路，集成开关电源芯片VIPer53的输出经过开关型电压调节器LM2575-12V和LM2575-5V，将其转变成为12V和5V电源供控制装置使用；
功率变换电路，采用东芝公司设计制造的智能功率模块MIG20J501L，在控制信号与智能功率模块的门级信号之间加光电隔离器件进行光电隔离，LPC1766输出的6路PWM信号经过快速光耦光电隔离后送给智能功率模块MIG20J501L的驱动端口，控制导通IPM内部相应的IGBT管；
直流电压检测与保护电路，将直流侧母线电压引入检测板，经过电阻分压后为比较器提供电压信号，另一路经运放输出给模数转换器，参与系统控制，采用过压比较器，通过与预先设定的过压电压值进行比较，当母线分压信号大于预设值时，认为产生过压现象，这时CPU控制单元必须立即发出停机命令，停止逆变器的输出，比较器输出信号经74HC14整形后提供给CPU检测；
电流检测与保护电路，霍尔电流传感器采集到的电流信号经过电阻转化为电压信号，送往CPU进行模数转换。以进行电流环的控制，送往比较器LM393进行过流故障判断，当采集到的电压信号大于过流阈值电压时，即出现过流现象，比较器LM393输出引脚变低，光电耦合器HCPL-0454开通，三极管饱和导通，继电器线圈通电，而它的常闭触点串联在为主回路供电的主接触器的线圈回路中，这时常闭触点断开，接触器断电，断开主回路，同时，CPU检测到过流信号，软件做出相应的故障处理，及时地保护系统；
MODBUS通信接口电路，利用MAX3082作为CPU的接口驱动芯片，并通过光藕与总线隔离，由于RS-485为双半工通信结构，因此用一个I/O口来控制器件处于接收或发送状态。
本发明实施例的另一目的在于提供一种控制装置软件。
所述装置包括：
控制装置主程序，负责建立整个程序的一个运行框架，完成CPU初始化、运行环境的定义等工作；
转速及转矩调节程序，完成初始化过程后，进入循环，等待中断的发生，在一个定时周期内需完成采样及转速和转矩计算调节工作；
串口通信程序，将电机的转速发送给上位机，同时上位机发出启动、停止命令，可以设定电机的转速、运转方向及各个控制参数，使用Labwindows/CVI开发上位机程序用以监控多台电动执行机构并可以进行电动执行机构的参数设置；
故障保护中断程序，采用CPU的MCPWM模块提供的快速中止中断，当输入CPU的引脚MCABORT上出现低电平时，系统进入中断程序，同时所有PWM输出将处于“被动”状态，快速对装置进行保护。
附图说明
图1是本发明实施例提供的控制装置的系统结构框图。
图2是本发明实施例提供的控制装置的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，图1是本发明实施例提供的控制装置的系统结构框图，系统辅助电源电路提供各部分电路所需电源，直流电压检测电路、电流检测电路与CPU模数转换器相连，CPU得到采样数据后进行转速转矩的计算从而通过隔离驱动电路控制功率变换电路，进而控制基于无刷直流电动机的控制执行机构，另一方面，直流电压检测电路、电流检测电路与电流电压保护电路相连，将采样信号与预设值比较，判断是否故障，并将故障信号输出给CPU，CPU根据检测的故障信号是否存在控制隔离驱动电路是否输出驱动信号，并通过继电器驱动电路控制继电器的状态，决定是否接通或断开功率主电路，CPU通过人机界面实现人机交互，可以设定参数，显示现场数据等。CPU通过MODBUS通信电路经MODBUS总线连接到上位机，把现场参数传给上位机，并接收上位机命令。
控制装置中，由于转速和转矩均与无刷直流电机电流有关，控制电机电流可以保证系统响应快速性。当装置处在运行状态时，通过外部键盘向CPU发送运行指令，并且载入运行参数。根据外部检测到的电机的位置信号以及电机所处的运行状态来改变控制器输出的控制信号，从而调整电机的运行状态。
整流电路将220V交流电变换为智能功率模块所需的直流电。智能IPM模块将整流电路整流输出的直流电逆变为三相交流电供给电机。
直流电压检测电路主要是实现电机运行时对直流母线电压进行监测使母线电压处在合理的范围之内。
电流检测电路主要是实现转速、电流双闭环控制和过流保护，从外部检测到的电流信号经过采样后，送到控制单元，控制单元根据检测电流的大小来调整电流调节器的输出。
电流电压保护电路将电流检测电路和直流电压检测电路输出的信号与预设值进行比较，如超过预设值则向CPU输出保护信号。
继电器驱动电路驱动继电器，控制主回路的接触器，当CPU检测状态处于正常时控制接触器接通电源，装置进入工作状态，当CPU得到故障信号后控制主接触器断开主电路，从而实现保护功能。
MODBUS通信接口电路负责接收上位机的控制命令，同时把现场信息传回上位机，方便管理和控制。
由上可知，在本发明实施例中，在硬件方面采用单片机按一定控制策略，驱动和控制电机快速的正转或反转，从而达到控制阀门，运行到指定开度位置，控制精度可达±1％，并且没有振荡。另一方面利用LCD就地实时显示阀门开度及现场参数，同时控制器一方面通过总线无线网络将实际开度位置、系统的现场参数送控制中心，并接收上位机控制命令，并且现场总线上可以挂若干个控制装置，组成以上位机为主机的现场总线控制网络。
本发明实施例中，图2是本发明实施例提供的控制装置的系统框图。该控制系统为双环结构，其中外环为转速环，内环为转矩环。转速环采用PI调节器，转矩环采用滞环比较器。电压信号(100)和电流信号(101)经相应的线性变换后送入离散滑模观测器(201)，离散滑模观测器(201)输出的信号经数字低通滤波(301)即可得到无刷电机的反电势估算值，从而计算出电磁转矩；根据无刷电机的转速进行速度计算(300)，并由此进行无刷电机的转矩控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种新型无刷直流电机的电动执行机构控制装置，它包括整流电路、系统辅助电源电路、功率变换电路、直流电压检测与保护电路、电流检测与保护电路和MODBUS通信接口电路，其特征是：系统辅助电源电路提供各部分电路所需电源；直流电压检测电路、电流检测电路与CPU模数转换器相连，CPU得到采样数据后进行转速转矩的计算从而通过隔离驱动电路控制功率变换电路，进而控制基于无刷直流电动机的控制执行机构；另一方面，直流电压检测电路、电流检测电路与电流电压保护电路相连，将采样信号与预设值比较，判断是否故障，并将故障信号输出给CPU，CPU根据检测的故障信号是否存在控制隔离驱动电路是否输出驱动信号，并通过继电器驱动电路控制继电器的状态，决定是否接通或断开功率主电路，CPU通过人机界面实现人机交互，可以设定参数，显示现场数据等，CPU通过MODBUS通信电路经MODBUS总线连接到上位机，把现场参数传给上位机，并接收上位机命令。
2.根据权利要求1所述的新型无刷直流电机的电动执行机构控制装置，其特征是所述的直流电压检测与保护电路将直流侧母线电压引入检测板，经过电阻分压后为比较器提供电压信号，另一路经运放输出给模数转换器，参与系统控制，采用过压比较器，通过与预先设定的过压电压值进行比较，当母线分压信号大于预设值时，认为产生过压现象，这时CPU控制单元必须立即发出停机命令，停止逆变器的输出，比较器输出信号经74HC14整形后提供给CPU检测。
3.根据权利要求1所述的新型无刷直流电机的电动执行机构控制装置，其特征是所述的电流检测与保护电路中的霍尔电流传感器采集到的电流信号经过电阻转化为电压信号，送往CPU进行模数转换；以进行电流环的控制，送往比较器LM393进行过流故障判断，当采集到的电压信号大于过流阈值电压时，即出现过流现象，比较器LM393输出引脚变低，光电耦合器HCPL-0454开通，三极管饱和导通，继电器线圈通电，而它的常闭触点串联在为主回路供电的主接触器的线圈回路中，这时常闭触点断开，接触器断电，断开主回路，同时，CPU检测到过流信号，软件做出相应的故障处理，及时地保护系统。
4.一种采用权利要求1所述的新型无刷直流电机的电动执行机构控制装置的控制方法，采用了一种无刷直流电机的直接转矩控制方法，其特征是：采用转矩滞环比较器的输出和磁极位置信号来选择电压空间矢量；其中，电压信号(100)和电流信号(101)经相应的线性变换后送入离散滑模观测器(201)，离散滑模观测器(201)输出的信号经数字低通滤波(301)即可得到无刷电机的反电势估算值，从而计算出电磁转矩；根据无刷电机的转速进行速度计算(300)，并由此进行无刷电机的转矩控制。
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