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智能閥門電動執(zhí)行器的CAN總線研究

0　引言
電動執(zhí)行器是閥門自動控制系統(tǒng)重要的終端設(shè)備，它對整個閥門控制系統(tǒng)的**運(yùn)行、可靠性以及調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣有著很大的影響。傳統(tǒng)的閥門門電動執(zhí)行器通常存在精度低、可靠性差、不能與計算機(jī)進(jìn)行通信、維護(hù)困難等不足。
近年來，電子技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，給閥門門控制技術(shù)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。CAN(controller area network)總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的全數(shù)字化的現(xiàn)場總線。
本文針對傳統(tǒng) 閥門電動執(zhí)行器存在的不足，設(shè)計了一種基于DSP2812的CAN總線智能閥門門電動執(zhí)行器。該設(shè)計不僅使系統(tǒng)控制精度有了可靠保證，而且通過自動初始化可對閥門的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動整定。
1　系統(tǒng)硬件設(shè)計
隨著電子電路以及大規(guī)模集成電路的開發(fā)與應(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)。本文所設(shè)計的控制器由TI公司生產(chǎn)的TMS320 F2812芯片及其外圍電路組成。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集，包括閥門門的狀態(tài)信息、電壓電流、電機(jī)溫度、輸出力矩等數(shù)據(jù)，并加以分析、判斷，使控制電機(jī)正常準(zhǔn)確地運(yùn)行。只要在閥門門的實際全開和全關(guān)位置各按鍵一次，即可實現(xiàn)智能校準(zhǔn)。系統(tǒng)通過液晶屏實時顯示電動閥門門的開度及系統(tǒng)的工作狀況和故障；通過CAN總線保持與控制中心的通信或者現(xiàn)場儀表之間的通信。
1.1　總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)設(shè)計的智能閥門電動執(zhí)行器由驅(qū)動控制器、三相異步電機(jī)和機(jī)械傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)這3部分組成。

驅(qū)動控制器以TMS320 F2812DSP控制芯片為微控制器；電機(jī)采用三相交流永磁同步電動機(jī)，它通過空間矢量調(diào)制技術(shù)中的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(SVM2DTC)來控制交流功率逆變器，從而控制電機(jī)的**運(yùn)行并輸出適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩，以及控制閥門門電動執(zhí)行器的動作。
電機(jī)的功率驅(qū)動電路主要由電流反饋電路、電流滯環(huán)比較電路、脈沖分配電路、故障輸出保護(hù)電路和IPM智能模塊及其外圍電路組成。以智能功率模塊(IPM)為核心的三相交流功率逆變器不僅集成了功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路，而且還內(nèi)置有欠壓鎖定、過流保護(hù)、短路保護(hù)以及過熱保護(hù)等故障監(jiān)測電路；同時，它可將監(jiān)測信號送往DSP控制器進(jìn)行處理，是一種高性能的功率驅(qū)動電路。
1.2　控制器設(shè)計
目前，采用8位或16位微控制器的智能控制設(shè)備或儀器儀表僅可完成簡單、低速的數(shù)據(jù)傳輸，但不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的實時性和可靠性要求，特別是當(dāng)連接請求較多或控制任務(wù)較復(fù)雜時，運(yùn)行實時性較差。因此，本文選用了TMS320F2812控制芯片作為控制器核心。控制器內(nèi)部軟件包括實時嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)、構(gòu)件庫以及以構(gòu)件裝配序列形式存在的應(yīng)用軟件。基于特殊應(yīng)用的嵌入式實時操作系統(tǒng)，對該芯片進(jìn)行合理的任務(wù)調(diào)度，以滿足工業(yè)現(xiàn)場對實時性和可靠性的要求。
TMS320 F2812芯片是TI公司推出的一款高性能、低功耗的32位定點(diǎn)高速數(shù)字DSP芯片。它采用8級指令流水線、單周期32×32位MAC功能、每秒鐘*高可執(zhí)行1.5億條指令(150MIPS)，保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外TMS320F2812芯片上還集成了豐富的外部資源，包括16路12位ADC、16路PWM輸出、3個32位通用定時器、128kB的16位Flash存貯器、18kBRAM存貯器、可支持45個外圍中斷的外圍中斷擴(kuò)展模塊(PIE)的并具有McBSP、SPI、SCI和可擴(kuò)展的CAN總線等接口。該芯片具有精簡指令集計算、微控制器結(jié)構(gòu)以及快速的運(yùn)行速度和廣泛的適用性等功能，從而可以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、分析計算和控制顯示。現(xiàn)場智能測控儀表軟件集成技術(shù)包括實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、實時監(jiān)控軟件、任務(wù)級組態(tài)軟件、實時數(shù)據(jù)庫等。因此，支持在線組態(tài)可以適用于電機(jī)控制、電源設(shè)計、智能傳感器設(shè)計、工業(yè)現(xiàn)場控制和總線系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域。
1.3　CAN通信模塊設(shè)計
智能控制器必須通過CAN通信接口才能連接到CAN總線。常見的CAN通信接口設(shè)計有2種方式：①采用帶CAN控制器的微控制器加CAN收發(fā)器組成通信接口；②采用獨(dú)立CAN控制器加CAN收發(fā)器組成通信接口。本系統(tǒng)采用**種方案，即采用TMS320F2812 DSP數(shù)字信號處理器做為現(xiàn)場智能單元的微處理器，利用eCAN模塊作為CAN控制器。eCAN模塊是TI公司新一代產(chǎn)品TM320F28x系列DSP芯片的32位**CAN控制器，它是基于TI公司TMS470系列微控制器使用的**CAN控制器HECC(high-end CAN controller)發(fā)展而來的。它能在有干擾的環(huán)境里完全兼容并使用CAN2.0B協(xié)議，是一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口。因此，可以實現(xiàn)閥門門電動執(zhí)行器與現(xiàn)場其他設(shè)備的實時通信，增加了現(xiàn)場設(shè)備的實時性和可靠性。
本系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的CAN收發(fā)器SN65HVD-230。該收發(fā)器工作電壓為3.3V，節(jié)點(diǎn)上電位移對總線上的其他節(jié)點(diǎn)沒有影響，在電噪聲很大的環(huán)境中能可靠地實現(xiàn)與數(shù)字信號處理器以及其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信。基于TMS320F2812的CAN總線智能閥門門電動執(zhí)行器系統(tǒng)的CAN通信接口如圖2所示。

1.4　保護(hù)功能
在閥門門電動執(zhí)行器運(yùn)行的過程中，DSP2812芯片連續(xù)監(jiān)視三相交流永磁同步電動機(jī)的電流和電壓，并根據(jù)所測電流和電壓值，計算閥門門電動執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩。當(dāng)出現(xiàn)過電壓、過電流及過力矩的情況時，DSP數(shù)字信號處理器就會發(fā)出控制信號，切斷電動機(jī)電源，發(fā)出報警信號。三相交流永磁同步電動機(jī)繞組中的溫度傳感器連續(xù)檢測電動機(jī)的實際溫度，可以實現(xiàn)溫度報警和過熱保護(hù)。在閥門門卡住的情況下，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，閥門門電動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便會以預(yù)先設(shè)定的緊急速度運(yùn)行到緊急狀態(tài)位置，用戶可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇緊急狀態(tài)位置，如全開、全關(guān)以及保位等選項。閥門門電動執(zhí)行器還具有掉電保護(hù)功能，運(yùn)行過程中如果電源中斷，RAM中的數(shù)據(jù)將會丟失。為了使電源斷電造成數(shù)據(jù)丟失的影響降到*低，閥門門電動執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)每隔一定時間向EEPROM中寫入系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，使參數(shù)不一致的時間間隔非常小。
2　軟件設(shè)計
基于DSP2812的CAN總線智能閥門門電動執(zhí)行器軟件設(shè)計主要包括通信、控制和管理這3個方面。其中通信程序完成智能閥門門電動執(zhí)行器與DSP2812控制器之間的雙向數(shù)據(jù)通信。智能閥門門電動執(zhí)行器要傳送的數(shù)據(jù)有閥門門的實際開度和各種參數(shù)以及故障報警時的數(shù)據(jù)等。在控制器DSP向電動執(zhí)行器發(fā)出請求數(shù)據(jù)要求且智能閥門門電動執(zhí)行器收到數(shù)據(jù)時，智能電動執(zhí)行器將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給控制器DSP。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，智能閥門門電動執(zhí)行器則在控制器DSP發(fā)出請求數(shù)據(jù)要求前，就發(fā)送故障數(shù)據(jù)。智能閥門門電動執(zhí)行器可以接收來自DSP控制器的控制信息，并進(jìn)行相應(yīng)的動作。本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計方法。其主程序流程如圖3所示。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初始狀態(tài)的判斷以及啟動、運(yùn)行子程序的調(diào)用。系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令確定系統(tǒng)的運(yùn)行模式、維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行、通信和顯示等工作。

智能閥門門電動執(zhí)行器的控制部分主要實現(xiàn)閥門門位置的控制功能，同時要考慮動作延遲時間以及死區(qū)大小的設(shè)置；其主要任務(wù)是對過程變量進(jìn)行采樣、數(shù)據(jù)處理以及根據(jù)可能的算法和控制方式進(jìn)行計算和輸出。為了克服由于電動機(jī)的慣性以及位反信號的滯后等原因引起的不足，在控制算法中采用了帶自調(diào)整函數(shù)的模糊PID控制器來實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速較為**的控制。但由于該模糊PID控制器輸出的控制變量是離散的，因此，本系統(tǒng)又引進(jìn)了二元函數(shù)Lagrange插值算法，以便獲得連續(xù)**的控制變量，從而消除控制器的調(diào)節(jié)死區(qū)和靜態(tài)誤差。修正函數(shù)的選擇方式是：當(dāng)偏差大時，對偏差的影響給予較大的權(quán)重，以盡快消除偏差，提高響應(yīng)速度；當(dāng)偏差較小時，為避免系統(tǒng)的超調(diào)，對偏差變化的影響給予較大的加權(quán)，以盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。本系統(tǒng)對三相交流永磁同步電機(jī)的控制是采用基于DSP2812的CAN總線控制系統(tǒng)來完成的。采用SVM2DTC控制算法，實現(xiàn)電動機(jī)的**控制以及柔性啟停功能，可以有效地減少啟停對閥門門的機(jī)械沖擊，*大限度地保護(hù)閥門門。
管理程序包括LCD顯示、管理工作方式、報警燈指示、處理用戶按鍵的掃描和響應(yīng)、對系統(tǒng)的掉電保護(hù)、執(zhí)行中斷服務(wù)子程序和對系統(tǒng)自身的自診斷過程。
3　結(jié)束語
當(dāng)智能閥門門電動執(zhí)行器與現(xiàn)場總線連接時，智能執(zhí)行器就成為了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一塊現(xiàn)場儀表。這時它不僅具有執(zhí)行器的功能，而且還具有控制、運(yùn)算和通信等功能，同時可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。
基于DSP2812的CAN總線智能閥門門電動執(zhí)行器采用三相交流永磁同步電動機(jī)作為伺服電機(jī)，以TMS320F2812 DSP為控制器，真正實現(xiàn)了電動閥門門的數(shù)字化和智能化。這類總線型智能閥門門電動執(zhí)行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強(qiáng)、診斷保護(hù)功能完善、適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的深入，它將給總線型智能閥門門電動執(zhí)行器帶來廣闊的發(fā)展前景。

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