智能閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器的CAN總線研究
0 引言
電動(dòng)執(zhí)行器是閥門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)重要的終端設(shè)備，它對(duì)整個(gè) 閥門(mén) 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(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器通常存在精度低、可靠性差、不能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信、維護(hù)困難等不足。
近年來(lái)，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，給閥門(mén)門(mén)控制技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)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(shí)控制的全數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)總線。
本文針對(duì)傳統(tǒng) 閥門(mén) 電動(dòng)執(zhí)行器存在的不足，設(shè)計(jì)了一種基于DSP2812的CAN總線智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器。該設(shè)計(jì)不僅使系統(tǒng)控制精度有了可靠保證，而且通過(guò)自動(dòng)初始化可對(duì) 閥門(mén) 的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)整定。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
隨著電子電路以及大規(guī)模集成電路的開(kāi)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)研究奠定了基礎(chǔ)。本文所設(shè)計(jì)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(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，包括閥門(mén)門(mén)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(mén)門(mén)的實(shí)際全開(kāi)和全關(guān)位置各按鍵一次，即可實(shí)現(xiàn)智能校準(zhǔn)。系統(tǒng)通過(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)閥門(mén)門(mén)的開(kāi)度及系統(tǒng)的工作狀況和故障；通過(guò)CAN總線保持與控制中心的通信或者現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通信。
1.1 總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能 閥門(mén) 電動(dòng)執(zhí)行器由驅(qū)動(dòng)控制器、三相異步電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)這3部分組成。
驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)，它通過(guò)空間矢量調(diào)制技術(shù)中的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(SVM2DTC)來(lái)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(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)作。
電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路，而且還內(nèi)置有欠壓鎖定、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等故障監(jiān)測(cè)電路；同時(shí)，它可將監(jiān)測(cè)信號(hào)送往DSP控制器進(jìn)行處理，是一種高性能的功率驅(qū)動(dòng)電路。
1.2 控制器設(shè)計(jì)
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(jiǎn)單、低速的數(shù)據(jù)傳輸，但不能滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，特別是當(dāng)連接請(qǐng)求較多或控制任務(wù)較復(fù)雜時(shí)，運(yùn)行實(shí)時(shí)性較差。因此，本文選用了TMS320F2812控制芯片作為控制器核心?？刂破鲀?nèi)部軟件包括實(shí)時(shí)嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)、構(gòu)件庫(kù)以及以構(gòu)件裝配序列形式存在的應(yīng)用軟件?；谔厥鈶?yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)該芯片進(jìn)行合理的任務(wù)調(diào)度，以滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)時(shí)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(jí)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(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)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(gè)32位通用定時(shí)器、128kB的16位Flash存貯器、18kBRAM存貯器、可支持45個(gè)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(jiǎn)指令集計(jì)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析計(jì)算和控制顯示。現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控儀表軟件集成技術(shù)包括實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、任務(wù)級(jí)組態(tài)軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)、智能傳感器設(shè)計(jì)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)
智能控制器必須通過(guò)CAN通信接口才能連接到CAN總線。常見(jiàn)的CAN通信接口設(shè)計(jì)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(hào)處理器做為現(xiàn)場(chǎng)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(lái)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(shí)現(xiàn)閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器與現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備的實(shí)時(shí)通信，增加了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)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(duì)總線上的其他節(jié)點(diǎn)沒(méi)有影響，在電噪聲很大的環(huán)境中能可靠地實(shí)現(xiàn)與數(shù)字信號(hào)處理器以及其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信?；赥MS320F2812的CAN總線智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)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(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行的過(guò)程中，DSP2812芯片連續(xù)監(jiān)視三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流和電壓，并根據(jù)所測(cè)電流和電壓值，計(jì)算閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電壓、過(guò)電流及過(guò)力矩的情況時(shí)，DSP數(shù)字信號(hào)處理器就會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，切斷電動(dòng)機(jī)電源，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)繞組中的溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際溫度，可以實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警和過(guò)熱保護(hù)。在閥門(mén)門(mén)卡住的情況下，控制器便會(huì)切斷電源并報(bào)警。此外，當(dāng)發(fā)生控制信號(hào)斷路等緊急情況時(shí)，閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便會(huì)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(hù)可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇緊急狀態(tài)位置，如全開(kāi)、全關(guān)以及保位等選項(xiàng)。閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器還具有掉電保護(hù)功能，運(yùn)行過(guò)程中如果電源中斷，RAM中的數(shù)據(jù)將會(huì)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(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)每隔一定時(shí)間向EEPROM中寫(xiě)入系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，使參數(shù)不一致的時(shí)間間隔非常小。
2 軟件設(shè)計(jì)
基于DSP2812的CAN總線智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器軟件設(shè)計(jì)主要包括通信、控制和管理這3個(gè)方面。其中通信程序完成智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器與DSP2812控制器之間的雙向數(shù)據(jù)通信。智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器要傳送的數(shù)據(jù)有閥門(mén)門(mén)的實(shí)際開(kāi)度和各種參數(shù)以及故障報(bào)警時(shí)的數(shù)據(jù)等。在控制器DSP向電動(dòng)執(zhí)行器發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)要求且智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器收到數(shù)據(jù)時(shí)，智能電動(dòng)執(zhí)行器將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給控制器DSP。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器則在控制器DSP發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)要求前，就發(fā)送故障數(shù)據(jù)。智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器可以接收來(lái)自DSP控制器的控制信息，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計(jì)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(dòng)、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(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器的控制部分主要實(shí)現(xiàn)閥門(mén)門(mén)位置的控制功能，同時(shí)要考慮動(dòng)作延遲時(shí)間以及死區(qū)大小的設(shè)置；其主要任務(wù)是對(duì)過(guò)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(jì)算和輸出。為了克服由于電動(dòng)機(jī)的慣性以及位反信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，對(duì)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(shí)，為避免系統(tǒng)的超調(diào)，對(duì)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(duì)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(lái)完成的。采用SVM2DTC控制算法，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的**控制以及柔性啟停功能，可以有效地減少啟停對(duì)閥門(mén)門(mén)的機(jī)械沖擊，*大限度地保護(hù)閥門(mén)門(mén)。
管理程序包括LCD顯示、管理工作方式、報(bào)警燈指示、處理用戶(hù)按鍵的掃描和響應(yīng)、對(duì)系統(tǒng)的掉電保護(hù)、執(zhí)行中斷服務(wù)子程序和對(duì)系統(tǒng)自身的自診斷過(guò)程。
3 結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器與現(xiàn)場(chǎng)總線連接時(shí)，智能執(zhí)行器就成為了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的一塊現(xiàn)場(chǎng)儀表。這時(shí)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。
基于DSP2812的CAN總線智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器采用三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)作為伺服電機(jī)，以TMS320F2812 DSP為控制器，真正實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)閥門(mén)門(mén)的數(shù)字化和智能化。這類(lèi)總線型智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)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(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用的深入，它將給總線型智能閥門(mén)門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器帶來(lái)廣闊的發(fā)展前景。
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