智能变频电动执行机构的设计与实现

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Design and Implementation of Intelligent Varia.ble-frequency Electric ActuatorSU0 Wei，CHEN Jun(Tianjin JINBO Instrument Technique Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China)Abstract：Inteligent variable-frequency electric actuator，with the brushless DC (BLDC)motor drive integrated in thecontrol system，meets al the demands of an intelligent variable frequency type electric actuator.Acquirng all breakthough of Intelligent technology and frequency conversion technology in Electric Actuator.As the core of an industri-al control unit，it was widely used in industrial control units of mmw areas，Can be gre y improved the performanceand reliability of the control system.This paper focuses on the software and hardware design and application of thewhole variable frequency control system。

Key words：intelligent；frequency conversion technology ；DSP随着电力电子技术、计算机技术、传感器技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展 ，使得智能化技术、变频技术应用于仪器仪表上已有突破性进展。特别是数字信号处理器和可编程逻辑器件的广泛应用.极大地推动智能化控制技术的发展，使得数字化、智能化及变频技术应用于电动执行机构上成为可能。同时智能变频电动执行机构又具有定位精度高 、动态响应好 、高频动作、电子力矩保护、液晶显示 、故障自诊断功能等-系列优点。所以，智能变频电动执行机构开发成功将提高电动执行机构的技术水平，同时打破国外产品对中国市场的垄断，并为工业自动化仪表快速发展做出贡献。

1 智能变频 电动执行机构总体结构及其功能特点1.1 智能变频电动执行机构总体结构：智能直流无刷变频电动执行机构从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分∝制部分主要由单片机 PWM波发生器、IPM逆变器、A/D、D/A转换收稿日期：2013-03-12：修订 日期：2013-05-31作者简介：索维(1959-)，男，高级工程师，主要从事电动执行机构的研究与应用工作；陈俊(1975-)，男，高级工程师，主要从事电动执行机构的研究与应用工作。

自动化与仪表2013(9) 田拈、整流拈、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括永磁直流无刷电机和位置传感器及机械传动装置。其结构功能框图如图 l所示。

厂 ---- -------- ------1 广----- ------- ------ -- -电源 叫IPM功能拈 叫直流电机H 减速机构J 通信 ] t lL 1 rl 时钟 - 电流检测 l l HAL号l I参数存储l 单片机T IM$320F2407 420. D/A转换 1.- -厂 I40～20 mA给定-J数字显示 - 位置检测J..-.-.---. --.. ....-.--.-..J J--..-。 ---..-。--..-.---- -.-. J控制部分 执行驱动部分图 1 智能变频 电动执行机构 总体结构Fig.1 Block diagram of inteligent variable-frequency electric actuator1.2 主要功能特点智能型变频 电动执行器是利用智能化 、数字化变频技术、单片机技术 ，使电动执行器具有智能化、变速运行、动态响应好、调节定位精度高、稳定性好、故障率低、寿命长及应用诚更加广泛的特点。

(1)控制精度高采用高性能变频调速技术 ，使得电动执行器各行程 区间阀门开关速度可 自行设定 ，并实现柔性启动”和柔性关断”，为执行器的定位提供-种新型、高精度控制模式，使执行器定位精度达 1%。

(2)改善阀门的工作特性对于复杂的控制过程，总是希望阀门的开度与介质的流速成比例。根据阀门的特性，内置智能控制拈自动调整全行程过程中的运行速度，将全行程运行时间分为 l0档。每-档都以不同的速度运行。通过参数设定来完成设置。这-功能被称为行程-速度特性”，主要被用来改善阀门线性特性。同时还具备改善阀门的流量特性。

(3)实现软启动”和软关闭”功能以最大力矩 的低速度渐进调整阀门开度 ，并柔性软起动使起动电流大大减少。即使频繁起动次数很多的流量 、压力系统也不会烧毁 电机。这就是变频柔性软启动、软关闭的特色。这-传统执行器难以实现的功能，因内置-体化变频器的采用而得以实现。在接近设定或极限位置时，变频器 自动调整电机供电的频率和电压，降低电机转速，以最低速度慢慢到达位置。避免 因惯性对阀门造成的过调和田冲撞而施加电制动功能，使执行机构的输f力矩永远都不会超过事先设定的关断力矩(4)智能化程度高智能变频电动执行机构力矩 、行程、速度编程可调 ，大大简化型号类别，节约备品件仓 投资及方便管理。软件系统针对执行器和调节阀各种应用诚的要求开发。输入信号标准化 4 20 mA，1～5 V；位置反馈信号标准化：断线保护；作用方式现场任意设定 ；联锁控制 ；断相 、过热、过力矩 、阀 等多重保护；看门狗、掉电保护等多项功能 。

2 系统硬件、软件实现方案2.1 系统硬件实现方案该系统的硬件实现方案如图2所示∝制电路Ac匕 蓍藩Iq功率变换器过压、l电压 l l 信号 l l霍尔电流欠压信号l采样 I l隔离驱动 I I传感器PWM脉冲信号故障信号j. l鲁 DSP l 千 晏删 。4∞ 悫 峰 序电路ll 、l图 2 控制 系统功能结构框图Fig.2 Functional block diagram of the control systemAutomation＆ Instrumentation 2013(91综合处理来 自上位机的位置命令信号、各个传感器的输出信号，并根据相应的控制策略来改变电机的旋转方向、速度、启动、制动、力矩等，从而实现对阀门位置的控制。而功率变换电路则是电路的执行者，在功率变换中实现了由弱电控制强电的功能。

控制电路使用集成芯片 DSP为内核处理器。TI公司 DSP系列芯片 TMS320F2407是-种面 向电机控制的专用芯片，因其定位在控制领域，故集成了多个适合控制的外设。主要外设有通用 I/0口、SCI、SPI、A/D。此外，还专门备有能产生 PWM的事件管理器.用来产生 PWM波并完成调节死区功能3。

功率变换电路使用 SPW 变频控制智能功率模块 ，接收 PWM信号 ，根据所给 PWM信号 向位置控制执行元件电机提供运转所需的能量。该智能功率拈内置续流二极管，具有快速反向恢复特性，可较好抑制电磁干扰噪声。且内部含有门极驱动控制、故障检测和多路保护电路 ，内部传感器用于检测功率器件 IGBT的状态，内部故障保护电路用于实现过流、短路、过热、欠压等故障保护 ，并可将检测信号送到 CPU[1.5l。

2.2 系统软件实现方案智能变频电动执行器的软件由三部分构成：控制程序软件、电机驱动软件和人机对话软件。软件实现流程 图如图 3所示 。

2.2.1 控制程序软件控制软件是根据设定好的参数和-些即时信息来决定执行机构的控制策略和动作。相当于执行机构 的大脑 ，是决定整个控制品质优劣的关键 。

- 上电控制程序首先进行初始化 ，确保各项功能及参数正常。然后进入工作模式选择，这里主要介绍系统进入 自动模式后的工作过程 ：进入自动模式后系统连续不断检测给定信号、位置检测信号及各功能 I/O口等，-旦给定与反馈出现偏差，软件系统 自动按设定好的三种数学模型给出控制信号，直至系统达到新的平衡点。

2.2.2 电机驱动软件主要解决电机的转动方向.转动速度问题。同时还 能够根据预先设定好的触发条件 ，将过力矩 、过热、堵转、缺相、断相等事件和即时的转向、转速、电机电流情况传递给控制电路。如过流故障诊断：操作过程是通过检测采样电流，并给定两个电流限幅值，如果电流超过极限值 ，并经过-段时间 l s(此自动化与仪表 2013(9)初始化工作模式选择土!采集给定信号、速度信号发送停止命令进入设置菜单手动模式. 堡至：二≥>土叫塑塞笪三： 堡 茎塑N自动模式 I定>(阀位死区～ - - - ～ 定

2.2.3 人机对话软件主要用来设定智能变频电动执行器常用的-些参数。如：执行机构的转向，死区，零点，满度 ，故障查询，恢复设置，过力矩保护设置，转速设置，加、减速位置设定，最低速度设定。通过对转速”、加速位置”、减速位置”和最低速度”参数的调整 .可设定-条执行机构启/停特性曲线。如图4所示.以满足不同应用诚对电动执行机构的要求。

图 4 电动执行机构启/停特性 曲线Fig.4 Start/stop characteristic curvesof the electric actuator(下转第23页)囫- 霉棘塞- 薰 (6)测试结果执行网络发现测试例的数据传输信息如图 5所示.F1为测试计算机下发的命令报文 ，F2为测试计算机接收的响应报文。

测试器向被测设备发送网络发现测试命令 ，被测设备受到激励并根据测试命令返回响应信息。在网络发现测试响应中，第-个 0x01是表明测试状态为 Success，第二个 0x01是指在 当前 PAN ID0x1234的网络中只有-个本地网络，0xla为本地网络的通信信道值，OxO0表示允许设备加入网络。

5 结语本文根据 WIA-PA协议关键技术 。针对 WIA-PA网络的设备角色(包括网关、路由设备和现场设备)提出了-种可覆盖 WIA-PA协议功能的测试方法 ，开发了-套支持 WIA-PA协议 的基于 Web的- 致性测试系统。并通过对典型测试例的实现，验证了对 WIA-PA网络的设备产品和关键技术进行- 致性测试 的可行性 。