智能電動執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動裝置，文中將開關(guān)磁阻電機(SRM)步進傳動的動態(tài)定位技術(shù)應(yīng)用于智能電動執(zhí)行器的變頻調(diào)速系統(tǒng)中。簡要介紹了基于SRM的智能電動執(zhí)行器調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成，重點闡述了系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，以CCS3.1為開發(fā)平臺進行模塊化設(shè)計，對SRM轉(zhuǎn)子位置和電流進行實時檢測，在轉(zhuǎn)速和電流方面都能很好地跟隨給定。該設(shè)計方案現(xiàn)已成功應(yīng)用于智能電動執(zhí)行器并取得了良好的控制效果，具有一定的實用價值。

　　電動執(zhí)行器是工業(yè)過程控制系統(tǒng)中一個十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動裝置，其能源取用方便、安裝調(diào)試簡單，在電力、冶金、石油、化工等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。電動執(zhí)行器包括電動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分，控制精度主要決定于電動執(zhí)行機構(gòu)的控制性能，它能夠?qū)⑾到y(tǒng)的控制信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移、直線位移，控制閥門等截流件的位置或其它調(diào)節(jié)機構(gòu)，使被控介質(zhì)按系統(tǒng)要求狀態(tài)工作。

　　電動執(zhí)行器的智能化是當前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，價格低廉的單片機和新型高速微處理器將全面代替以模擬電子器件為主的電動執(zhí)行器的控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的控制系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，將原有的硬件控制變成了軟件控制，從而可以在電動執(zhí)行器中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進算法來提高控制性能。

　　SRM作為智能電動執(zhí)行器的執(zhí)行元件，電動執(zhí)行器的控制性能與SRM的調(diào)速系統(tǒng)密切相關(guān)，一套合理的SRM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案對提高智能電動執(zhí)行器控制性能至關(guān)重要。

1、SRM調(diào)速系統(tǒng)硬件組成

　　SRM調(diào)速系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SRM調(diào)速控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　SRM調(diào)速系統(tǒng)主要包括：電源電路、功率轉(zhuǎn)換器、鍵盤顯示控制電路、驅(qū)動電路、位置檢測電路、輔助電路及被控對象SRM。電源電路為整個調(diào)速系統(tǒng)提供電能，功率變換器是電能轉(zhuǎn)換電路，該電路主要是向SRM傳送電能，同時起到一定的開關(guān)作用，使SRM的各相繞組能夠按照要求通斷�？刂破鬟x擇16位微處理器TMS320LF2407、并輔助鍵盤顯示控制，其中TMS320LF2407微處理器是整個控制器部分的核心。位置檢測電路的目的是確定定、轉(zhuǎn)子的相對位置，并把位置信號反饋給邏輯控制電路，以確定對應(yīng)相繞組的通斷，使各相電流脈沖和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子同步。由于SRM低速運行時采用電流斬波控制運行方式，通過調(diào)節(jié)相繞組的電流來控制轉(zhuǎn)矩的大小，因此，要求不斷檢測電流的大小;而SRM在高速運行時采用的是角度位置控制運行方式，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)控制角來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制，此時盡管電流不再是被控量，但為了防止電機過載或異常運行時電流過大可能會對控制電路、各種功率器件以及電機本體造成損害，所以，仍需要一定的過流保護措施。

2、SRM調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　本文中的軟件設(shè)計采用DSP(TMS320LF2407)匯編語言編程，實行模塊化設(shè)計，增加了程序的可讀性和移植性。軟件設(shè)計的任務(wù)主要包括：位置采樣、位置控制、速度采樣、速度控制、電流采樣、電流控制、電流保護，主要流程圖如圖2，圖3所示。

圖2 主程序流程圖

圖3 電流環(huán)和位置環(huán)流程圖

　　主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初始狀態(tài)的顯示以及起動、運行子程序的調(diào)用。主要由以下幾部分組成：

　　(1)初始化：

　　包括TMS320LF2407內(nèi)部各寄存器的初始化、事件管理器各命令寄存器的初始化、中斷

　　命令控制字初始化，令CAP捕獲中斷為低電平觸發(fā)方式，PDPINT(過流中斷)的優(yōu)先級最高，此時禁止全部中斷，并關(guān)閉所有的相輸出信號。

　　(2)鍵值判斷子程序

　　由控制手輪傳來的起動正轉(zhuǎn)、起動反轉(zhuǎn)、停車、制動信號及驅(qū)動板傳來的過溫、過壓、欠壓等信號經(jīng)過一個優(yōu)先編碼器編碼后進入TMS320F2407的I/O口，DSP根據(jù)最高級別有效信號的編碼轉(zhuǎn)入不同的分支處理子程序，在各個子程序中設(shè)定各自相關(guān)的標志位，并給顯示寄存器賦以相應(yīng)的顯示值。

　　(3)中斷服務(wù)子程序

　　中斷服務(wù)程序主要包括位置檢測、速度檢測、電流檢測及保護、故障處理子程序。調(diào)速系統(tǒng)中主要涉及位置檢測、速度檢測、電流檢測。

　�、� 轉(zhuǎn)子的位置檢測

　　準確的位置檢測是實現(xiàn)精確位置控制的前提，直接決定了整個控制系統(tǒng)的精度。開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的位置檢測環(huán)節(jié)的一個主要功能就是計算轉(zhuǎn)子相對于參考位置(0°)的電角度，根據(jù)這個相對電角度來判斷哪一相開通，哪一相關(guān)斷。位置傳感器輸出的兩路位置信號S1，S2在一個周期內(nèi)有四種不同的組合，按照不同的組合將一個周期里的兩路位置信號劃分為四個狀態(tài)，采用兩位二進制編碼區(qū)分不同的狀態(tài)，即狀態(tài)0(00)、狀態(tài)1(01)、狀態(tài)2(10)、狀態(tài)3(11)。

　　位置檢測程序首先鎖存上一次的位置信號，然后檢測新的位置信號;從而比較兩次檢測的位置信號，如果發(fā)現(xiàn)位置信號不相同，則說明位置已經(jīng)改變，應(yīng)該進行換相控制，同時計算電機的步數(shù)并進行防抖動判斷，即行程的增加;如果兩次的位置信號相同，則說明位置沒有改變繼續(xù)以上次的控制方案控制，無需進行換相控制。

　　由于開關(guān)磁阻電動機不同于異步電動機沒有自換相能力，必須根據(jù)轉(zhuǎn)子位置檢測器的輸出信號強迫換相。換相控制在捕獲中斷服務(wù)程序中完成，在捕獲中斷程序中處理器讀取兩個轉(zhuǎn)子位置檢測器的輸出電平，根據(jù)這兩個信號的組合就可以決定哪一相應(yīng)該通電。

　　② 速度檢測

　　本程序中，對于電機轉(zhuǎn)速的測量是非常關(guān)鍵的。電機轉(zhuǎn)速的測量主要利用了通用定時器T1。通過I/O口讀取位置傳感器信號，每15°跳變一次。設(shè)計時定時器1中斷時間設(shè)為200μs，若兩次跳變期間進定時器1中斷的次數(shù)為m，則電機每轉(zhuǎn)一圈計數(shù)值為24×m，所需的時間為24×m×200μs，根據(jù)此數(shù)值，就可以計算出實際電機轉(zhuǎn)速。最后，經(jīng)過換算，就可以得出單位為r/min的電機實際轉(zhuǎn)速n。

　　在此子程序中，通用定時器T1中的計數(shù)值要進行累加，然后再除以累加次數(shù)。在計算出轉(zhuǎn)速以后，還需計算其平均值。這樣，計算出的轉(zhuǎn)速就更加準確。每進入一次CAP捕捉中斷服務(wù)程序，電機旋轉(zhuǎn)步數(shù)計數(shù)器就減1，并判斷是否為0，如為0則說明電機已經(jīng)運行了預(yù)定步數(shù)，此時保持全比較單元PWM1-PWM4狀態(tài)，即將電機鎖定在期望的穩(wěn)定位置。延時一段時間后，封鎖各相PWM輸出口。

　�、� 電流檢測

　　電機繞組中電流的準確采樣是進行有效電流控制的前提。電流檢測包括電流傳感器和電流A/D轉(zhuǎn)換兩個步驟，只有兩部分都能精確的采樣才能實現(xiàn)電流的準確檢測，缺一不可。

　　本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PI算法，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。轉(zhuǎn)速控制的具體過程：由光電位置傳感器檢測的轉(zhuǎn)子位置信息，估算出電機的實際轉(zhuǎn)速，并與給定轉(zhuǎn)速進行比較，偏差通過PI速度控制生成電流參考值。它與電流反饋構(gòu)成電流閉環(huán)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)來控制PWM的占空比，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，以保證得到快速的響應(yīng)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。

3、實驗結(jié)果

　　本文所設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)可以應(yīng)用于直行程、角行程、多回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)。實驗中選用角行程(0°～90°)的智能電動執(zhí)行器，電機為一臺1.1kW，4相8/6極，額定電流為7A的開關(guān)磁阻電機。采用本文所設(shè)計的調(diào)速方案電機可以以不同的給定速度運行，其轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)調(diào)速的轉(zhuǎn)速曲線

　　電機在16.6s處開始起動，在0.1s內(nèi)轉(zhuǎn)速就升到了400r/min;在20.1s處轉(zhuǎn)速給定n=1000r/min，0.2s后實際轉(zhuǎn)速達到給定信號要求的1000r/min;在21.8s處給定轉(zhuǎn)速n=1500r/min，該調(diào)速系統(tǒng)在0.2s后達到給定信號要求的1500r/min。由此可以說明該系統(tǒng)在速度給定變化時可以在極短的時間內(nèi)跟隨給定。圖中轉(zhuǎn)速曲線為160r.m-1/div。

　　對于智能電動執(zhí)行器來說，在其速度范圍內(nèi)，都有不同的速度可供選擇，這就需要調(diào)節(jié)SRM的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。

　　不同的電機轉(zhuǎn)速，電動執(zhí)行器運行完全行程的時間也就不同。當電機轉(zhuǎn)速為400r/min時，電動執(zhí)行器運行完全行程所用時間為70s;當電機轉(zhuǎn)速為1000r/min時，電動執(zhí)行器運行完全行程所用時間為28s;當電機轉(zhuǎn)速為1500r/min時，電動執(zhí)行器運行完全行程所用時間為19s。由此可見，用戶還可以根據(jù)不同的需求對電機的轉(zhuǎn)速進行設(shè)定來實現(xiàn)對電動執(zhí)行器運行完全行程時間的調(diào)節(jié)。

　　執(zhí)行機構(gòu)的全行程可以分為幾段，由于SRM可以調(diào)速，因而每一段就可以選擇不同的轉(zhuǎn)速，有效地避免“水錘效應(yīng)”和“氣蝕”現(xiàn)象。

　　采用本文所設(shè)計的調(diào)速方案，得到的不同轉(zhuǎn)速下電機的電流曲線如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的電流曲線

　　該調(diào)速系統(tǒng)采用兩相勵磁運行。電流曲線圖中為A，C相電流曲線(2A/div)，其導通順序為DA-AB-BC-CD，對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置信號為00-01-11-10。由于考慮到電感的影響，在算法中應(yīng)用PI算法，電流波形的波動很小，對于智能電動執(zhí)行器的穩(wěn)定運行起到良好的效果。

4、結(jié)語

　　本文對基于SRM的智能電動執(zhí)行器調(diào)速系統(tǒng)的控制器部分進行了初步的探討和研究，完成了對SRM調(diào)速系統(tǒng)控制器部分程序的設(shè)計工作，實現(xiàn)了位置檢測、速度計算、電流斬波以及PWM電壓輸出等功能。采用本文所述的PI調(diào)節(jié)控制算法對智能電動執(zhí)行器進行調(diào)速控制，通過大量實驗得出的實驗曲線表明，該調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于智能電動執(zhí)行器上，在轉(zhuǎn)速和電流方面都能很好地跟隨給定，有效地減小電流波動，對提高智能電動執(zhí)行器的控制性能取得了滿意的效果。