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一种电动执行器控制系统设计与应用

0 引言

通常情况下,电动执行器从调节器获取数字量或模拟量控制信号,将其转换为对应的直线位移或角位移输出,驱动阀门等执行相应的动作,最终实现被调对象的自动控制。

电动执行器一般由控制系统、驱动电机、执行机构等组成,控制系统作为核心部分,其性能将直接决定阀门的位置控制精度。电动执行器控制系统多基于PLC或单片机搭建,控制效果比较理想,但是PLC在可扩展性、二次开发等方面存在短板且成本较高;单片机运算处理能力有限。DSP即数字信号处理器,兼顾数据处理和实时控制而且易于开发。以32位定点DSP芯片TMS320F2812为例,其专门针对电机控制和运动控制而设计。硬件配置上,TMS320F2812具有丰富的通用输入输出接口、16通道12位A/D转换器、两个事件管理器以及大容量的片上存储器,能够较好地满足电动执行器的控制需求;运算速度上,TMS320F2812可以达到150MIPS,可以实时地处理复杂控制算法,实现高精度控制,保证电机的位置控制精度以及速度控制的动态特性;通信方面,TMS320F2812芯片支持多种通信机制,如UART串口通信、CAN总线通信、SPI总线通信等,能够很方便地实现人机交互界面的设计以及同其他系统之间的信息交互。总体来说,基于TMS320F2812的电动执行器控制系统不仅具有传统专用控制器的优势,而且具备很好的集成性、可扩展性、二次开发性,提高了控制系统的可靠性、处理速度以及通用性。

在现有研究的基础上,基于TMS320F2812设计一种电动执行器控制系统,在电路设计、软件设计、应用研究等方面展开论述。

1 电动执行器

电动执行器结构原理如图1所示,通过十字滑块联轴节,电机与滚珠丝杠实现连接;滚珠丝杠和滑移平台通过螺母连接。电机输出转矩以驱动滚珠丝扛转动,需要克服回转体阻尼力和转动惯量等的作用。编码器主要负责采集电机转角信号,以便于实现闭环控制,不过应根据实际应用需求和条件决定是否安装编码器或其他传感器,如霍尔传感器。滚珠丝杠可将电机输出的旋转运动转化为直线运动。滑移平台用于固定工作负载。通过电动执行器的结构原理图可知:电动执行器的运行情况取决于电机特性及其控制系统,在一定程度上电机可以看做电动执行器的核心部件。在电动执行器中普遍使用的电机主要有3种,即步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机等。其中步进电机电动执行器具有成本低廉、控制简单等特点,所以其应用最广。图中J为电机转动惯量;B为黏滞阻尼系数;T为电机输出转矩;ω为电机转速;m为负载质量;F为外部干扰力;v为滑动平台x方向的运行速度,均为表征电动执行器特性的重要参数。

图1 电动执行器结构原理图

2 控制系统设计

电动执行器控制系统基于微控制器TMS320F2812设计,执行机构选用步进电机,控制系统结构如图2所示。由图2可知,电动执行器控制系统主要包括上位机、CAN通信模块、微控制器、步进电机驱动电路、参数检测等部分。通过现场控制面板或者上位机设定相关参数;参数经CAN总线传送至控制器TMS320F2812,通过运算得到步进电机控制量,进而实现其速度、旋转角度等控制;步进电机的旋转输出经滚珠丝杠进行运动形式转化以及减速处理后进行阀杆控制,进而实现阀门开口度的控制。另外,步进电机一端装有霍尔传感器,用于电机转速和位置控制;阀门处装有流量、压力等传感器,采集的流量、压力等信号经简单处理后传送至控制器TMS320F2812的A/D模块,与设定值比较,得到偏差数值,通过调整步进电机位置和速度保证阀门开口精度,最终实现自动控制。

图2 控制系统结构简图

2.1 步进电机驱动电路

当前,实际中普遍使用的步进电机驱动器体积比较大、成本比较高。为减小控制系统体积,本文不采用成品步进电机驱动器而是设计了一种步进电动机驱动电路并将其与微控制器做在一起。

步进电机驱动电路包括环形分配器和功率驱动2部分。其中,环形分配器既可以用软件实现也可以用硬件实现。考虑到微控制器的工作负担,提高可靠性,环形分配器通过硬件方式来实现,即选用专用集成电路。本文所述控制系统选用专用步进电机控制芯片PMM8713PT进行环形分配器设计。该芯片控制功能比较丰富,可用于两相或四相步进电机控制。因为步进电机所需驱动电流相对较大,所以要在步进电动机和控制器之间添加功率放大电路。另外,考虑到步进电机的高电平、大功率对控制器的干扰,TMS320F2812的控制接口不能直接与步进电机相连,需要添加隔离电路。

步进电机驱动电路如图3所示。TMS320F2812与PMM8713PT的接口共有6个,分别是GPIOA0-Em,GPIOA1-Co,GPIOA2-Eb,GPIOA3-Ea,GPIOA4-U/D,GPIOA5-Ck;PMM8713PT的Cd,Cu接地;引脚Ck接收TMS320F2812发送的脉冲;R和c引脚通过上拉电阻接高电平。其中,引脚GPIOA0用于判断环形分配器是否正常通电;引脚GPIOA1用于判断环形分配器是否能够正常接收TMS320F2812发出的脉冲信号;引脚GPIOA2和GPIOA3用于确定步进电机通电模式,当GPIOA2和GPIOA3引脚均为高电平时,步进电机通电模式为双四相4拍;当GPIOA2和GPIOA3引脚均为低电平时,步进电机通电模式为四相8拍;当GPIOA3为低电平、GPIOA2为高电平时,步进电机通电模式为四相4拍。当引脚Ck脉冲处于下降沿、GPIOA4引脚为高电平时,步进电机正转;当引脚Ck脉冲处于下降沿、GPIOA4引脚为低电平时,步进电机反转。1、2、3、4的输出信号分别用于控制步进电机四相绕组,该信号经功率放大电路和光耦电路处理后用于控制电机绕组。图3中仅给出一相绕组的电路,其余3相绕组的驱动方式相同。

图3 步进电机驱动电路

2.2 CAN总线电路

CAN总线通信不受地址、节点数限制而且具有比较强的抗干扰能力,其已广泛应用于现场总线控制、仪器仪表、数控机床、汽车等领域。考虑到通信距离、现场干扰等因素,本文并没有使用TMS320F2812控制器的CAN模块,而是选用专业的CAN控制器和驱动器。CAN总线电路主要包括控制器TMS320F2812、CAN控制器和CAN驱动器。其中,CAN控制器选用SJA1000,主要负责CAN总线通信协议,用于实现报文的装配与拆分以及接收信息的校验和过滤等。CAN驱动器选用82C250,其具有较好的热防护、降低射频干扰(RFI)、瞬间抗干扰能力。为进一步增强通信抗干扰能力,可采用光耦实现SJA1000和82C250之间的光电隔离,为减轻光耦对信号的影响如延迟效应,可选用高速光耦6N137。CAN总线电路如图4所示。

图4 CAN总线电路

2.3 电机位置检测

步进电机一端装有3个霍尔效应传感器,相邻两个之间间隔120°。霍尔传感器会输出3个180°的叠加信号,经一级RC滤波处理后,传送至控制器TMS320F2812捕获单元的输入引脚cap1,cap2,cap3。捕获单元设置为上升沿和下降沿检测信号;电机旋转1周,3个霍尔传感器总共生成6个换向信号;相邻两个换向信号间隔的机械角度为60°。那么基于电机轴位置信号的变化可以方便地得到电机的实际转速:

ω=Δθ/ΔT    (1)

式中:Δθ为机械角度;ΔT为转角Δθ对应的时间。

由于霍尔传感器相对步进电机轴的位置是不变的,所以任意两个相邻换向信号对应的机械转角Δθ为常量。由式(1)可知,ω与ΔT成反比,而且ΔT的具体数值可通过计算任意一个边沿捕获中断计数器相邻两个数值的差值得到。

3 软件设计

3.1 主程序

控制系统主程序主要涉及TMS320F2812相关寄存器的初始化,操作模式选择以及不同模式下功能函数的实现。

现场操作模式下,扫描开始、停止、急停等按键。当开始按键有效时,阀门开向运动;当停止按键有效时,阀门关向运动;当急停按键有效时,阀门停在当前位置。

远程操作模式下,首先读取开始区、零点值等参数并设置速度;通过A/D采样获取阀位设定值;利用位置PID控制电动执行器保证阀门精确地运动到设定位置。

参数设置模式下,使能SCI中断接收用户设置的参数并存储。主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图

3.2 速度和位置控制

电动执行器的速度、位置控制框图如图6所示。速度调节基于PI控制实现,系统从上位机获取阀门速度设定值;经涡轮蜗杆减速处理后作为步进电机速度给定值。如上所述,通过霍尔传感器输出的电机位置信号可以计算出电机实际速度;实际速度和给定速度值的差值作为PI控制器的输入。而PI控制器输出作为相电流控制的参考值。相电流采样值和参考值的差值作为电流PID控制器输入,其输出直接控制PWM信号,进而实现电机转速的调节。

图6 电动执行器速度PI控制框图

控制系统检测到的电流信号,经转换电路处理后可变为0~3.3V的电压信号,然后传送至TMS320F2812的A/D端口。由于电流信号大小与阀门位置成线性关系,所以根据A/D所采集电压值可以得到阀门位置设定值R(k)。同时,通过步进电机上装配的光电编码器以及TMS320F2812的正交脉冲编码(QEP)电路,可以检测、计算出阀门实际位置c(k)。将实际值和设定值之间的差值e(k)作为阀门位置PID控制器的输入,其输出u(k)控制电机开向运动、关向运动、停止等,以保证阀门精确地运动到用户指定的位置。

无论是速度PID控制还是位置PID控制,当电机启动、停止或者设定值大幅变化时,系统输出会存在很大的偏差。此种情况下,如果简单采用常规PID控制算法势必造成积分积累,将导致比较大的系统超调,甚至引起系统振荡。因此,本文引入了积分分离PID控制算法,该算法不但可以保持积分作用,而且能够减小超调量。积分分离PID控制算法可以描述为:

(1)定义积分项系数α和系统阈值ε>0;

(2)如果系统偏差|e(k)|>ε,此时α=0;可以采取PD控制,在保证系统快速响应的同时避免出现较大超调;

(3)如果偏差|e(k)|≤ε,此时α=1;可以采用PID控制,从而保证系统控制精度;

(4)PID控制方程的积分分离形式为

    (2)

式中:Kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数;k为采样时刻;T为采样周期。

积分分离PID控制流程如图7所示。

图7 积分分离PID控制流程图

当|e(k)|>ε,即α=0时

    (3)

当|e(k)|≤ε,即α=1时

    (4)

式中:

    (5)

    (6)

4 应用研究

为验证所述控制系统的可行性和有效性,以电动执行器轨迹跟踪为例,展开了相关应用研究。针对圆形曲线和正弦曲线的轨迹跟踪实验结果如图8所示,由实验结果可以看出:实际轨迹和给定轨迹基本吻合,可以保证执行机构十分精确地进行轨迹跟踪控制;验证了所述电动执行器位置和速度控制方法的有效性;表明了所述基于DSP的电动执行器控制系统的可靠性和有效性。

图8 轨迹跟踪实验结果

5 结束语

针对电动执行器控制,基于TMS320F2812设计了一种电动执行器控制系统。详细介绍了控制系统软硬件设计方法,包括步进电机驱动电路、CAN总线电路等,以及控制系统主程序、积分分离PID控制等。另外,应用研究表明了该控制的可行性和有效性。

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