基于DSP實現(xiàn)的SDZ智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

摘 要 論述了SDZ智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)。結(jié)合SDZ執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能特點，介紹了智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本功能。給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及程序的總體設(shè)計。
關(guān)鍵詞 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu) 數(shù)字信號處理器 智能功率模塊
0 引言
在流程工業(yè)控制系統(tǒng)中，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制系統(tǒng)的輸出指令并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殚y門位置，實現(xiàn)最終的控制作用；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度、可靠性對控制系統(tǒng)的影響是至關(guān)重要的。隨著微電子技術(shù)以及通信技術(shù)在自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和方式正在發(fā)生著一系列革命性的變革，如基于傳統(tǒng)的、一對一、單向的模擬信號傳輸機(jī)制正在向基于現(xiàn)場總線的全數(shù)字、多節(jié)點的雙向傳輸機(jī)制過渡；基于控制中心的集中式控制方式向基于現(xiàn)場儀表的分布式的控制方式過渡；本文介紹一種新型的SDZ智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制實踐及其基本功能。

1 SDZ執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點

一般電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用感應(yīng)式異步電機(jī)作動力，電機(jī)經(jīng)機(jī)械減速器、輸出軸驅(qū)動閥門動作。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運行中需要測量閥門的位置、電流電壓、電機(jī)溫度、輸出力矩等，以實現(xiàn)控制或保護(hù)功能；外部接口包括接收外部命令和發(fā)送內(nèi)部參數(shù)，以適應(yīng)控制中的各種要求。SDZ新型智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有如下特點：
1.1 采用最新的變頻控制技術(shù)
位置跟蹤精度是衡量電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一個重要指標(biāo)，為了實現(xiàn)精確的位置跟蹤，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)需要頻繁起停和轉(zhuǎn)向切換，最高可達(dá)每小時候1200次；頻繁起動和換向?qū)﹄娖骱蜋C(jī)械的壽命是不利的；在SDZ電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計中采用了變頻技術(shù)，采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2406A DSP作為控制芯片和專用的變頻電機(jī)，實現(xiàn)了電機(jī)的柔性起停功能，即電機(jī)起動時以低速起動，然后根據(jù)控制的要求逐漸加速，關(guān)閉時同樣是先減速最后斷電，可以有效地減少起停對閥門的機(jī)械沖擊，最大限度地保護(hù)閥門。由于電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速能夠隨著位置誤差的大小而自適應(yīng)地變化，對保證跟蹤位置精度，減少起動次數(shù)是非常有利的。這是傳統(tǒng)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法做到的。
同樣使用變頻技術(shù)后，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，變多級機(jī)械減速為單級機(jī)械減速，降低了生產(chǎn)廠商的制造成本，減少了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積和重量。用戶無需改動內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，其輸出軸的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)由用戶自行設(shè)定，拓寬了電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)對閥門行程的適應(yīng)范圍，有利于用戶選型和減少備臺的種類；同樣在使用中也有利于實現(xiàn)過程控制的最優(yōu)化。
1.2 豐富的可組態(tài)控制方式
為了能夠適應(yīng)用戶各種應(yīng)用環(huán)境，滿足不同用戶的要求，SDZ智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置了多種不同的控制方式。
1.2.1 開關(guān)控制方式
4個遠(yuǎn)程輸入開關(guān)分別用作遠(yuǎn)程開閥、關(guān)閥、停止運行和緊急定位控制命令，其開閥、關(guān)閥和緊急定位的速度是用戶可以分別進(jìn)行組態(tài)設(shè)定的。開關(guān)信號的作用方式（信號的極性、作用方式）是可以由用戶現(xiàn)場組態(tài)設(shè)定的。在開關(guān)控制方式下，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以通過模擬輸出4～20mA和現(xiàn)場總線接口輸出當(dāng)前的閥位信號，同時8個開關(guān)量輸出可以輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的8種不同的狀態(tài)。每個開關(guān)量輸出的狀態(tài)也是可以由用戶設(shè)定的。
1.2.2 模擬連續(xù)控制方式
執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括2路外部模擬量輸入通道，分別用作遠(yuǎn)程設(shè)定和過程測量輸入，模擬量輸入信號的極性和零點是用戶選擇設(shè)定的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部包括閥門定位器和過程控制器兩種自動控制功能。當(dāng)用作閥門定位器時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤遠(yuǎn)程設(shè)定的閥位命令控制閥門；而當(dāng)用作過程控制時，則設(shè)定輸入作為受控的過程參數(shù)的設(shè)定值，過程控制器根據(jù)設(shè)定輸入和過程測量的差值來自行控制閥門的位置。在模擬控制方式下，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以通過模擬輸出4～20mA或現(xiàn)場總線接口輸出當(dāng)前的閥位信號，8個開關(guān)量輸出可以輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的8種不同的狀態(tài)。
1.2.3 現(xiàn)場總線控制方式
本機(jī)在設(shè)計上充分考慮了目前工業(yè)自動化領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展趨勢，在軟件和硬件的結(jié)構(gòu)上預(yù)留了現(xiàn)場總線的接口。目前在自動化領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)比較多，因此本執(zhí)行機(jī)構(gòu)將現(xiàn)場總線部分作為一個獨立的部分考慮，由獨立的CPU來實現(xiàn)，現(xiàn)場總線控制CPU與主控制器CPU采用標(biāo)準(zhǔn)的SCI通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而現(xiàn)場總線的協(xié)議由現(xiàn)場總線控制CPU實現(xiàn)，因此針對不同的現(xiàn)場總線協(xié)議必須配置不同的通信卡實現(xiàn)。在現(xiàn)場總線控制方式下，除可以實現(xiàn)開關(guān)、模擬連續(xù)控制方式外，還可以實現(xiàn)在線修改和監(jiān)視電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的參數(shù)。其模擬量、開關(guān)量輸出仍然可以用作閥位和內(nèi)部狀態(tài)輸出。
1.3 完善的人機(jī)接口界面及非接觸式閥位測量
SDZ電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置了就地人機(jī)接口。人機(jī)接口包括點陣液晶圖形主顯示器、段式閥位顯示器、狀態(tài)指示燈、模式選擇開關(guān)、功能按鍵和紅外通信接口。人機(jī)接口提供中文、英文等多種語言界面；操作者可以在就地模式下對閥門實施就地開關(guān)操控；在組態(tài)模式下進(jìn)行各種功能配置設(shè)定，如控制模式、旋向、開關(guān)閥位的速度、開關(guān)閥門的保護(hù)力矩和位置、輸入輸出信號設(shè)置和行程調(diào)整等。在瀏覽模式下可以瀏覽執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的各種狀態(tài)。而紅外接口則是用于和遙控器及外部計算機(jī)的連接，做到不開機(jī)殼即可以和外部的設(shè)備進(jìn)行無線連接；滿足全密封的隔爆要求。采用正交編碼器非接觸式的閥位測量結(jié)構(gòu)，取消了閥位測量元件與輸出軸的機(jī)械剛性連接，拓寬了執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門行程的適應(yīng)范圍，也方便了閥門的行程調(diào)整。
1.4 全面的保護(hù)功能
SDZ執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有高度的自身保護(hù)及系統(tǒng)保護(hù)功能。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行的過程中,DSP芯片連續(xù)監(jiān)視電動機(jī)電流電壓,并根據(jù)所測的電壓電流值計算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩,當(dāng)出現(xiàn)過電壓﹑過電流及過力矩時,DSP控制器就會發(fā)出控制,切斷電動機(jī)電源同時發(fā)生報警信號。電機(jī)繞組中的溫度傳感器連續(xù)檢測電機(jī)的實際工作溫度，可實現(xiàn)高溫報警和過熱保護(hù)。在閥門卡住的情況下保護(hù)功能還可以避免電動機(jī)被燒壞,因為在電動機(jī)通電期間不斷的檢測閥門的動作情況,若發(fā)現(xiàn)一定的時間內(nèi)不動作,就認(rèn)為發(fā)生卡住的情況,控制器便會切斷電源并報警。此外,當(dāng)發(fā)生控制信號斷路等緊急情況時,執(zhí)行機(jī)構(gòu)便會以預(yù)先設(shè)定好的緊急速度運行到緊急狀態(tài)位置,緊急狀態(tài)位置用戶可根據(jù)具體情況選擇,如全開﹑全關(guān)及保位等選項。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有掉電保護(hù)的功能。運行當(dāng)中電源中斷,RAM中的數(shù)據(jù)將丟失。為將掉電造成數(shù)據(jù)丟失的影響降到最低,執(zhí)行機(jī)構(gòu)每隔一定時間間隔向EEPROM中寫入系統(tǒng)運行參數(shù),使得參數(shù)不一致的時間間隔非常小。

2 SDZ電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)

隨著電子電路以及大規(guī)模集成電路的開發(fā)應(yīng)用，各種高性能的電子器件和微處理器為智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開發(fā)研究奠定了基礎(chǔ)。SDZ電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，SDZ執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2406A DSP作為控制系統(tǒng)的核心。TMS320LF2406A是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計的，片內(nèi)集成有豐富的外設(shè)，包括：兩個事件管理器﹑一個16通道的A/D轉(zhuǎn)換器﹑控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN) 2.0B模塊﹑SCI模塊以及SPI模塊等。TMS320LF2406A處理系統(tǒng)內(nèi)所有的控制信號，包括對系統(tǒng)設(shè)定﹑采樣﹑顯示﹑報警﹑故障等信號的處理。同時通過控制事件管理器EVA產(chǎn)生用于變頻控制的SPWM波形,控制智能功率模塊IGBT管的導(dǎo)通與關(guān)斷,以實現(xiàn)對感應(yīng)電機(jī)的控制。
電源逆變電路采用智能功率模塊(IPM)。IPM不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一塊,而且還內(nèi)置有過電壓﹑欠電壓﹑過電流和過熱等故障監(jiān)測電路,并可將監(jiān)測信號送往DSP進(jìn)行處理,是一種高性能的功率開關(guān)器件。

3 SDZ執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟件設(shè)計
軟件的設(shè)計采用前后臺方式，沒有引入多任務(wù)操作系統(tǒng)。后臺為一單一任務(wù)，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完后又回到任務(wù)的開始處，不停的循環(huán)。前臺任務(wù)直接響應(yīng)硬件中斷，系統(tǒng)沒有中斷處理時執(zhí)行后臺任務(wù)，當(dāng)中斷發(fā)生時，后臺任務(wù)被掛起，前臺任務(wù)結(jié)束處理后，后臺任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。
3.1 主程序的設(shè)計
主程序流程由以下三部分組成：
(1) 系統(tǒng)初始化 DSP上電啟動后進(jìn)行自檢，如有錯誤則報警，并使電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于停止?fàn)顟B(tài)；否則從EEPROM中讀取系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)，DSP將這些參數(shù)存入數(shù)據(jù)存儲器中；DSP隨后進(jìn)行其它初始化工作，如：設(shè)置事件管理器、使能看門狗電路、開中斷等。
(2) DSP掃描模式選擇開關(guān)的狀態(tài)，根據(jù)選擇開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的子程序。選擇開關(guān)的三種狀態(tài)分別對應(yīng)三個不同的子程序。
(3) DSP根據(jù)中斷子程序設(shè)置的標(biāo)志位讀取相關(guān)參數(shù)以及進(jìn)行相應(yīng)的處理。之所以在中斷服務(wù)子程序設(shè)置標(biāo)志位而不是直接處理，主要是因為中斷子程序語句不能過長，退出中斷后，再由主程序根據(jù)各個標(biāo)志位的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的處理。
3.2 中斷服務(wù)程序的設(shè)計
系統(tǒng)使用了DSP的3個中斷，各自有不同的中斷優(yōu)先級，3個中斷依優(yōu)先級由高到低分別為：產(chǎn)生SPWM波形的定時器下溢中斷、系統(tǒng)定時器中斷以及接受閥位信息的SPI通信中斷。
定時器采用連續(xù)增減計數(shù)方式，每個載波周期都要產(chǎn)生一次下溢中斷，在下溢中斷服務(wù)子程序中計算下一個載波的占空比。為使下溢中斷處理時間盡可能短，下溢中斷程序采用匯編語言編寫，因此程序的設(shè)計涉及到C語言和匯編語言的混合編程，匯編中斷程序必須在入口處保護(hù)好當(dāng)前的C運行環(huán)境，退出前再恢復(fù)中斷發(fā)生時的C運行環(huán)境。
系統(tǒng)定時中斷相當(dāng)于系統(tǒng)的脈搏，程序設(shè)計中用到的定時和延時都是基于該周期性中斷實現(xiàn)的。此外，周期性中斷還用于完成一些周期性的工作，如置標(biāo)志位等。
閥位測量電路通過SPI接口周期性的向DSP傳送當(dāng)前閥位。在中斷子程序里，DSP將接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器中，并向閥位測量電路回傳數(shù)據(jù)，閥位測量電路根據(jù)所收數(shù)據(jù)驗證此次通訊是否成功，如失敗則重發(fā)。

4 結(jié)束語

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶金和石油等領(lǐng)域，SDZ電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計中盡可能地采用大規(guī)模集成電路電子器件來替代和實現(xiàn)傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的機(jī)械零部件，大幅度提高了智能化程度和可靠性。SDZ電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有軟件升級方便、網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)、可靠性高以及調(diào)試方便等優(yōu)點，可以為工業(yè)生產(chǎn)提供極大的便利，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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