智能電動(dòng)執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)裝置，文中將開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)步進(jìn)傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)應(yīng)用于智能電動(dòng)執(zhí)行器的變頻調(diào)速系統(tǒng)中。簡要介紹了基于SRM的智能電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，以CCS3.1為開發(fā)平臺進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，對SRM轉(zhuǎn)子位置和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，在轉(zhuǎn)速和電流方面都能很好地跟隨給定。該設(shè)計(jì)方案現(xiàn)已成功應(yīng)用于智能電動(dòng)執(zhí)行器并取得了良好的控制效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　電動(dòng)執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動(dòng)裝置，其能源取用方便、安裝調(diào)試簡單，在電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)執(zhí)行器包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分，控制精度主要決定于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制性能，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的控制信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移、直線位移，控制閥門等截流件的位置或其它調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使被控介質(zhì)按系統(tǒng)要求狀態(tài)工作。

　　電動(dòng)執(zhí)行器的智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，價(jià)格低廉的單片機(jī)和新型高速微處理器將全面代替以模擬電子器件為主的電動(dòng)執(zhí)行器的控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動(dòng)執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法來提高控制性能。

　　SRM作為智能電動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行元件，電動(dòng)執(zhí)行器的控制性能與SRM的調(diào)速系統(tǒng)密切相關(guān)，一套合理的SRM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對提高智能電動(dòng)執(zhí)行器控制性能至關(guān)重要。

1、SRM調(diào)速系統(tǒng)硬件組成

　　SRM調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SRM調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　SRM調(diào)速系統(tǒng)主要包括：電源電路、功率轉(zhuǎn)換器、鍵盤顯示控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、位置檢測電路、輔助電路及被控對象SRM。電源電路為整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)提供電能，功率變換器是電能轉(zhuǎn)換電路，該電路主要是向SRM傳送電能，同時(shí)起到一定的開關(guān)作用，使SRM的各相繞組能夠按照要求通斷�？刂破鬟x擇16位微處理器TMS320LF2407、并輔助鍵盤顯示控制，其中TMS320LF2407微處理器是整個(gè)控制器部分的核心。位置檢測電路的目的是確定定、轉(zhuǎn)子的相對位置，并把位置信號反饋給邏輯控制電路，以確定對應(yīng)相繞組的通斷，使各相電流脈沖和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子同步。由于SRM低速運(yùn)行時(shí)采用電流斬波控制運(yùn)行方式，通過調(diào)節(jié)相繞組的電流來控制轉(zhuǎn)矩的大小，因此，要求不斷檢測電流的大小;而SRM在高速運(yùn)行時(shí)采用的是角度位置控制運(yùn)行方式，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)控制角來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，此時(shí)盡管電流不再是被控量，但為了防止電機(jī)過載或異常運(yùn)行時(shí)電流過大可能會對控制電路、各種功率器件以及電機(jī)本體造成損害，所以，仍需要一定的過流保護(hù)措施。

2、SRM調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文中的軟件設(shè)計(jì)采用DSP(TMS320LF2407)匯編語言編程，實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，增加了程序的可讀性和移植性。軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)主要包括：位置采樣、位置控制、速度采樣、速度控制、電流采樣、電流控制、電流保護(hù)，主要流程圖如圖2，圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 電流環(huán)和位置環(huán)流程圖

　　主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初始狀態(tài)的顯示以及起動(dòng)、運(yùn)行子程序的調(diào)用。主要由以下幾部分組成：

　　(1)初始化：

　　包括TMS320LF2407內(nèi)部各寄存器的初始化、事件管理器各命令寄存器的初始化、中斷

　　命令控制字初始化，令CAP捕獲中斷為低電平觸發(fā)方式，PDPINT(過流中斷)的優(yōu)先級最高，此時(shí)禁止全部中斷，并關(guān)閉所有的相輸出信號。

　　(2)鍵值判斷子程序

　　由控制手輪傳來的起動(dòng)正轉(zhuǎn)、起動(dòng)反轉(zhuǎn)、停車、制動(dòng)信號及驅(qū)動(dòng)板傳來的過溫、過壓、欠壓等信號經(jīng)過一個(gè)優(yōu)先編碼器編碼后進(jìn)入TMS320F2407的I/O口，DSP根據(jù)最高級別有效信號的編碼轉(zhuǎn)入不同的分支處理子程序，在各個(gè)子程序中設(shè)定各自相關(guān)的標(biāo)志位，并給顯示寄存器賦以相應(yīng)的顯示值。

　　(3)中斷服務(wù)子程序

　　中斷服務(wù)程序主要包括位置檢測、速度檢測、電流檢測及保護(hù)、故障處理子程序。調(diào)速系統(tǒng)中主要涉及位置檢測、速度檢測、電流檢測。

　　① 轉(zhuǎn)子的位置檢測

　　準(zhǔn)確的位置檢測是實(shí)現(xiàn)精確位置控制的前提，直接決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的位置檢測環(huán)節(jié)的一個(gè)主要功能就是計(jì)算轉(zhuǎn)子相對于參考位置(0°)的電角度，根據(jù)這個(gè)相對電角度來判斷哪一相開通，哪一相關(guān)斷。位置傳感器輸出的兩路位置信號S1，S2在一個(gè)周期內(nèi)有四種不同的組合，按照不同的組合將一個(gè)周期里的兩路位置信號劃分為四個(gè)狀態(tài)，采用兩位二進(jìn)制編碼區(qū)分不同的狀態(tài)，即狀態(tài)0(00)、狀態(tài)1(01)、狀態(tài)2(10)、狀態(tài)3(11)。

　　位置檢測程序首先鎖存上一次的位置信號，然后檢測新的位置信號;從而比較兩次檢測的位置信號，如果發(fā)現(xiàn)位置信號不相同，則說明位置已經(jīng)改變，應(yīng)該進(jìn)行換相控制，同時(shí)計(jì)算電機(jī)的步數(shù)并進(jìn)行防抖動(dòng)判斷，即行程的增加;如果兩次的位置信號相同，則說明位置沒有改變繼續(xù)以上次的控制方案控制，無需進(jìn)行換相控制。

　　由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)不同于異步電動(dòng)機(jī)沒有自換相能力，必須根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測器的輸出信號強(qiáng)迫換相。換相控制在捕獲中斷服務(wù)程序中完成，在捕獲中斷程序中處理器讀取兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置檢測器的輸出電平，根據(jù)這兩個(gè)信號的組合就可以決定哪一相應(yīng)該通電。

　�、� 速度檢測

　　本程序中，對于電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量是非常關(guān)鍵的。電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量主要利用了通用定時(shí)器T1。通過I/O口讀取位置傳感器信號，每15°跳變一次。設(shè)計(jì)時(shí)定時(shí)器1中斷時(shí)間設(shè)為200μs，若兩次跳變期間進(jìn)定時(shí)器1中斷的次數(shù)為m，則電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈計(jì)數(shù)值為24×m，所需的時(shí)間為24×m×200μs，根據(jù)此數(shù)值，就可以計(jì)算出實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速。最后，經(jīng)過換算，就可以得出單位為r/min的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n。

　　在此子程序中，通用定時(shí)器T1中的計(jì)數(shù)值要進(jìn)行累加，然后再除以累加次數(shù)。在計(jì)算出轉(zhuǎn)速以后，還需計(jì)算其平均值。這樣，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速就更加準(zhǔn)確。每進(jìn)入一次CAP捕捉中斷服務(wù)程序，電機(jī)旋轉(zhuǎn)步數(shù)計(jì)數(shù)器就減1，并判斷是否為0，如為0則說明電機(jī)已經(jīng)運(yùn)行了預(yù)定步數(shù)，此時(shí)保持全比較單元PWM1-PWM4狀態(tài)，即將電機(jī)鎖定在期望的穩(wěn)定位置。延時(shí)一段時(shí)間后，封鎖各相PWM輸出口。

　�、� 電流檢測

　　電機(jī)繞組中電流的準(zhǔn)確采樣是進(jìn)行有效電流控制的前提。電流檢測包括電流傳感器和電流A/D轉(zhuǎn)換兩個(gè)步驟，只有兩部分都能精確的采樣才能實(shí)現(xiàn)電流的準(zhǔn)確檢測，缺一不可。

　　本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PI算法，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。轉(zhuǎn)速控制的具體過程：由光電位置傳感器檢測的轉(zhuǎn)子位置信息，估算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，偏差通過PI速度控制生成電流參考值。它與電流反饋構(gòu)成電流閉環(huán)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)來控制PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，以保證得到快速的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文所設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)可以應(yīng)用于直行程、角行程、多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中選用角行程(0°～90°)的智能電動(dòng)執(zhí)行器，電機(jī)為一臺1.1kW，4相8/6極，額定電流為7A的開關(guān)磁阻電機(jī)。采用本文所設(shè)計(jì)的調(diào)速方案電機(jī)可以以不同的給定速度運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)調(diào)速的轉(zhuǎn)速曲線

　　電機(jī)在16.6s處開始起動(dòng)，在0.1s內(nèi)轉(zhuǎn)速就升到了400r/min;在20.1s處轉(zhuǎn)速給定n=1000r/min，0.2s后實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到給定信號要求的1000r/min;在21.8s處給定轉(zhuǎn)速n=1500r/min，該調(diào)速系統(tǒng)在0.2s后達(dá)到給定信號要求的1500r/min。由此可以說明該系統(tǒng)在速度給定變化時(shí)可以在極短的時(shí)間內(nèi)跟隨給定。圖中轉(zhuǎn)速曲線為160r.m-1/div。

　　對于智能電動(dòng)執(zhí)行器來說，在其速度范圍內(nèi)，都有不同的速度可供選擇，這就需要調(diào)節(jié)SRM的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。

　　不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行完全行程的時(shí)間也就不同。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行完全行程所用時(shí)間為70s;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行完全行程所用時(shí)間為28s;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行完全行程所用時(shí)間為19s。由此可見，用戶還可以根據(jù)不同的需求對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定來實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行完全行程時(shí)間的調(diào)節(jié)。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程可以分為幾段，由于SRM可以調(diào)速，因而每一段就可以選擇不同的轉(zhuǎn)速，有效地避免“水錘效應(yīng)”和“氣蝕”現(xiàn)象。

　　采用本文所設(shè)計(jì)的調(diào)速方案，得到的不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的電流曲線如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的電流曲線

　　該調(diào)速系統(tǒng)采用兩相勵(lì)磁運(yùn)行。電流曲線圖中為A，C相電流曲線(2A/div)，其導(dǎo)通順序?yàn)镈A-AB-BC-CD，對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置信號為00-01-11-10。由于考慮到電感的影響，在算法中應(yīng)用PI算法，電流波形的波動(dòng)很小，對于智能電動(dòng)執(zhí)行器的穩(wěn)定運(yùn)行起到良好的效果。

4、結(jié)語

　　本文對基于SRM的智能電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)速系統(tǒng)的控制器部分進(jìn)行了初步的探討和研究，完成了對SRM調(diào)速系統(tǒng)控制器部分程序的設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)了位置檢測、速度計(jì)算、電流斬波以及PWM電壓輸出等功能。采用本文所述的PI調(diào)節(jié)控制算法對智能電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)速控制，通過大量實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)曲線表明，該調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于智能電動(dòng)執(zhí)行器上，在轉(zhuǎn)速和電流方面都能很好地跟隨給定，有效地減小電流波動(dòng)，對提高智能電動(dòng)執(zhí)行器的控制性能取得了滿意的效果。