基于DSP技术的智能变频电动执行机构设计

　　电动执行机构（电动执行器）广泛应用于电力、化工、冶金和石油等领域，智能电动执行机构（电动执行器）设计中尽可能地采用大规模集成电路电子器件来替代和实现传统执行机构中的机械零部件，大幅度提高了智能化程度和可靠性。智能电动执行机构（电动执行器）具有软件升级方便、网络通信能力强、可靠性高以及调试方便等优点，可以为工业生产提供极大的便利，具有广阔的应用前景。

　　目前DSP技术逐渐成熟，新一代DSP采用哈佛结构、流水线操作（即程序、数据存储器彼此独立），在每一时钟周期内完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作，从而大大减少了指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构、功能强大的寻址方式、灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得DSP不仅运算能力较单片机有了较大的提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。其特殊的结构设计和超强的运算能力，使得以前需要硬件才能实现的功能可移植到DSP中以软件实现，也使得数字信号处理中的一些理论和算法得以实时实现。

　　DSP数字控制能够实现较之模拟控制更为高级而且复杂的控制策略，与模拟控制电路相比较，数字控制电路拥有更多的优点。由数字PID代替传统的模拟PID具有设计周期短、灵活多变易的控制策略和电磁干扰小等优点。

 

 

1、智能电动执行机构（电动执行器）的硬件结构

　　随着电子电路以及大规模集成电路的开发应用，各种高性能的电子器件和微处理器为智能电动执行机构（电动执行器）的开发研究奠定了基础。智能电动执行机构（电动执行器）的硬件结构如图1所示，智能执行机构采用TI公司生产的TMS320LF2406A DSP作为控制系统的核心。TMS320LF2406A是为了满足控制应用而设计的，片内集成有丰富的外设，包括：两个事件管理器﹑一个16通道的A/D转换器﹑控制器局域网络(CAN) 2.0B模块﹑SCI模块以及SPI模块等。TMS320LF2406A处理系统内所有的控制信号，包括对系统设定﹑采样﹑显示﹑报警﹑故障等信号的处理。同时通过控制事件管理器EVA产生用于变频控制的SPWM波形,控制智能功率模块IGBT管的导通与关断,以实现对感应电机的控制。
电源逆变电路采用智能功率模块(IPM)。IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一块,而且还内置有过电压﹑欠电压﹑过电流和过热等故障监测电路,并可将监测信号送往DSP进行处理,是一种高性能的功率开关器件。

 

 

2、智能执行机构一般结构特点

　　一般电动执行机构（电动执行器）采用感应式异步电机作动力，电机经机械减速器、输出轴驱动阀门动作。电动执行机构（电动执行器）在运行中需要测量阀门的位置、电流电压、电机温度、输出力矩等，以实现控制或保护功能；外部接口包括接收外部命令和发送内部参数，以适应控制中的各种要求。智能新型智能电动执行机构（电动执行器）具有如下特点：
2.1 采用最新的变频控制技术
　　位置跟踪精度是衡量电动执行机构（电动执行器）的一个重要指标，为了实现精确的位置跟踪，执行机构的电机需要频繁起停和转向切换，最高可达每小时候1200次；频繁起动和换向对电器和机械的寿命是不利的；在智能电动执行机构（电动执行器）的设计中采用了变频技术，采用TI公司生产的TMS320LF2406A DSP作为控制芯片和专用的变频电机，实现了电机的柔性起停功能，即电机起动时以低速起动，然后根据控制的要求逐渐加速，关闭时同样是先减速最后断电，可以有效地减少起停对阀门的机械冲击，最大限度地保护阀门。由于电机输出轴的转速能够随着位置误差的大小而自适应地变化，对保证跟踪位置精度，减少起动次数是非常有利的。这是传统电动执行机构（电动执行器）无法做到的。

　　同样使用变频技术后，简化了机械结构，变多级机械减速为单级机械减速，降低了生产厂商的制造成本，减少了执行机构的体积和重量。用户无需改动内部机械结构，其输出轴的转速在一定范围内由用户自行设定，拓宽了电动执行机构（电动执行器）对阀门行程的适应范围，有利于用户选型和减少备台的种类；同样在使用中也有利于实现过程控制的最优化。 

　　DSP数字控制变频器相对模拟控制变频器具有不可比拟的优势，如减少了体积和重量，提高了控制精度，方便维修升级。

2.2 丰富的可组态控制方式
　　为了能够适应用户各种应用环境，满足不同用户的要求，智能电动执行机构（电动执行器）配置了多种不同的控制方式。
2.2.1 开关控制方式
　　4个远程输入开关分别用作远程开阀、关阀、停止运行和紧急定位控制命令，其开阀、关阀和紧急定位的速度是用户可以分别进行组态设定的。开关信号的作用方式（信号的极性、作用方式）是可以由用户现场组态设定的。在开关控制方式下，电动执行机构（电动执行器）可以通过模拟输出4～20mA和现场总线接口输出当前的阀位信号，同时8个开关量输出可以输出执行机构内部的8种不同的状态。每个开关量输出的状态也是可以由用户设定的。
2.2.2 模拟连续控制方式
　　执行机构包括2路外部模拟量输入通道，分别用作远程设定和过程测量输入，模拟量输入信号的极性和零点是用户选择设定的。执行机构内部包括阀门定位器和过程控制器两种自动控制功能。当用作阀门定位器时，执行机构跟踪远程设定的阀位命令控制阀门；而当用作过程控制时，则设定输入作为受控的过程参数的设定值，过程控制器根据设定输入和过程测量的差值来自行控制阀门的位置。在模拟控制方式下，电动执行机构（电动执行器）可以通过模拟输出4～20mA或现场总线接口输出当前的阀位信号，8个开关量输出可以输出执行机构内部的8种不同的状态。
2.2.3 现场总线控制方式
　　本机在设计上充分考虑了目前工业自动化领域内现场总线技术的发展趋势，在软件和硬件的结构上预留了现场总线的接口。目前在自动化领域内现场总线的标准比较多，因此本执行机构将现场总线部分作为一个独立的部分考虑，由独立的CPU来实现，现场总线控制CPU与主控制器CPU采用标准的SCI通信接口，实现数据共享，而现场总线的协议由现场总线控制CPU实现，因此针对不同的现场总线协议必须配置不同的通信卡实现。在现场总线控制方式下，除可以实现开关、模拟连续控制方式外，还可以实现在线修改和监视电动执行机构（电动执行器）内部的参数。其模拟量、开关量输出仍然可以用作阀位和内部状态输出。
2.3 完善的人机接口界面及非接触式阀位测量
　　智能电动执行机构（电动执行器）设置了就地人机接口。人机接口包括点阵液晶图形主显示器、段式阀位显示器、状态指示灯、模式选择开关、功能按键和红外通信接口。人机接口提供中文、英文等多种语言界面；操作者可以在就地模式下对阀门实施就地开关操控；在组态模式下进行各种功能配置设定，如控制模式、旋向、开关阀位的速度、开关阀门的保护力矩和位置、输入输出信号设置和行程调整等。在浏览模式下可以浏览执行机构内部的各种状态。而红外接口则是用于和遥控器及外部计算机的连接，做到不开机壳即可以和外部的设备进行无线连接；满足全密封的隔爆要求。采用正交编码器非接触式的阀位测量结构，取消了阀位测量元件与输出轴的机械刚性连接，拓宽了执行机构与阀门行程的适应范围，也方便了阀门的行程调整。
2.4 全面的保护功能
　　智能执行机构具有高度的自身保护及系统保护功能。在执行机构运行的过程中,DSP芯片连续监视电动机电流电压,并根据所测的电压电流值计算执行机构的输出力矩,当出现过电压﹑过电流及过力矩时,DSP控制器就会发出控制,切断电动机电源同时发生报警信号。电机绕组中的温度传感器连续检测电机的实际工作温度，可实现高温报警和过热保护。在阀门卡住的情况下保护功能还可以避免电动机被烧坏,因为在电动机通电期间不断的检测阀门的动作情况,若发现一定的时间内不动作,就认为发生卡住的情况,控制器便会切断电源并报警。此外,当发生控制信号断路等紧急情况时,执行机构便会以预先设定好的紧急速度运行到紧急状态位置,紧急状态位置用户可根据具体情况选择,如全开﹑全关及保位等选项。

　　执行机构具有掉电保护的功能。运行当中电源中断,RAM中的数据将丢失。为将掉电造成数据丢失的影响降到最低,执行机构每隔一定时间间隔向EEPROM中写入系统运行参数,使得参数不一致的时间间隔非常小。 

3、智能执行机构软件设计
　　软件的设计采用前后台方式，没有引入多任务操作系统。后台为一单一任务，当任务执行完后又回到任务的开始处，不停的循环。前台任务直接响应硬件中断，系统没有中断处理时执行后台任务，当中断发生时，后台任务被挂起，前台任务结束处理后，后台任务继续执行。
3.1 主程序的设计
主程序流程由以下三部分组成：
(1) 系统初始化 DSP上电启动后进行自检，如有错误则报警，并使电动执行机构（电动执行器）处于停止状态；否则从EEPROM中读取系统组态参数，DSP将这些参数存入数据存储器中；DSP随后进行其它初始化工作，如：设置事件管理器、使能看门狗电路、开中断等。
(2) DSP扫描模式选择开关的状态，根据选择开关的状态进入相应的子程序。选择开关的三种状态分别对应三个不同的子程序。
(3) DSP根据中断子程序设置的标志位读取相关参数以及进行相应的处理。之所以在中断服务子程序设置标志位而不是直接处理，主要是因为中断子程序语句不能过长，退出中断后，再由主程序根据各个标志位的设置进行相应的处理。
3.2 中断服务程序的设计
　　系统使用了DSP的3个中断，各自有不同的中断优先级，3个中断依优先级由高到低分别为：产生SPWM波形的定时器下溢中断、系统定时器中断以及接受阀位信息的SPI通信中断。
　　定时器采用连续增减计数方式，每个载波周期都要产生一次下溢中断，在下溢中断服务子程序中计算下一个载波的占空比。为使下溢中断处理时间尽可能短，下溢中断程序采用汇编语言编写，因此程序的设计涉及到C语言和汇编语言的混合编程，汇编中断程序必须在入口处保护好当前的C运行环境，退出前再恢复中断发生时的C运行环境。
　　系统定时中断相当于系统的脉搏，程序设计中用到的定时和延时都是基于该周期性中断实现的。此外，周期性中断还用于完成一些周期性的工作，如置标志位等。
　　阀位测量电路通过SPI接口周期性的向DSP传送当前阀位。在中断子程序里，DSP将接收到的数据存入数据存储器中，并向阀位测量电路回传数据，阀位测量电路根据所收数据验证此次通讯是否成功，如失败则重发。

　　在流程工业控制系统中，电动执行机构（电动执行器）接收控制系统的输出指令并将其转变为阀门位置，实现最终的控制作用；执行机构的控制精度、可靠性对控制系统的影响是至关重要的。随着微电子技术以及通信技术在自动化控制系统中的应用，传统的控制系统的结构和方式正在发生着一系列革命性的变革，如基于传统的、一对一、单向的模拟信号传输机制正在向基于现场总线的全数字、多节点的双向传输机制过渡；基于控制中心的集中式控制方式向基于现场仪表的分布式的控制方式过渡；本文介绍一种基于DSP技术的智能电动执行机构（电动执行器）开发及其功能。