摘 要 論述了SDZ智能電動執(zhí)行機構的設計與開發(fā)。結合SDZ執(zhí)行機構的功能特點，介紹了智能電動執(zhí)行機構的基本功能。給出了系統(tǒng)的硬件結構以及程序的總體設計。
關鍵詞 電動執(zhí)行機構 數(shù)字信號處理器 智能功率模塊
0 引言
在流程工業(yè)控制系統(tǒng)中，電動執(zhí)行機構接收控制系統(tǒng)的輸出指令并將其轉變?yōu)殚y門位置，實現(xiàn)最終的控制作用；執(zhí)行機構的控制精度、可靠性對控制系統(tǒng)的影響是至關重要的。隨著微電子技術以及通信技術在自動化控制系統(tǒng)中的應用，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結構和方式正在發(fā)生著一系列革命性的變革，如基于傳統(tǒng)的、一對一、單向的模擬信號傳輸機制正在向基于現(xiàn)場總線的全數(shù)字、多節(jié)點的雙向傳輸機制過渡；基于控制中心的集中式控制方式向基于現(xiàn)場儀表的分布式的控制方式過渡；本文介紹一種新型的SDZ智能電動執(zhí)行機構研制實踐及其基本功能。

1 SDZ執(zhí)行機構結構特點

一般電動執(zhí)行機構采用感應式異步電機作動力，電機經機械減速器、輸出軸驅動閥門動作。電動執(zhí)行機構在運行中需要測量閥門的位置、電流電壓、電機溫度、輸出力矩等，以實現(xiàn)控制或保護功能；外部接口包括接收外部命令和發(fā)送內部參數(shù)，以適應控制中的各種要求。SDZ新型智能電動執(zhí)行機構具有如下特點：
1.1 采用最新的變頻控制技術
位置跟蹤精度是衡量電動執(zhí)行機構的一個重要指標，為了實現(xiàn)精確的位置跟蹤，執(zhí)行機構的電機需要頻繁起停和轉向切換，最高可達每小時候1200次；頻繁起動和換向對電器和機械的壽命是不利的；在SDZ電動執(zhí)行機構的設計中采用了變頻技術，采用TI公司生產的TMS320LF2406A DSP作為控制芯片和專用的變頻電機，實現(xiàn)了電機的柔性起停功能，即電機起動時以低速起動，然后根據(jù)控制的要求逐漸加速，關閉時同樣是先減速最后斷電，可以有效地減少起停對閥門的機械沖擊，最大限度地保護閥門。由于電機輸出軸的轉速能夠隨著位置誤差的大小而自適應地變化，對保證跟蹤位置精度，減少起動次數(shù)是非常有利的。這是傳統(tǒng)電動執(zhí)行機構無法做到的。
同樣使用變頻技術后，簡化了機械結構，變多級機械減速為單級機械減速，降低了生產廠商的制造成本，減少了執(zhí)行機構的體積和重量。用戶無需改動內部機械結構，其輸出軸的轉速在一定范圍內由用戶自行設定，拓寬了電動執(zhí)行機構對閥門行程的適應范圍，有利于用戶選型和減少備臺的種類；同樣在使用中也有利于實現(xiàn)過程控制的最優(yōu)化。
1.2 豐富的可組態(tài)控制方式
為了能夠適應用戶各種應用環(huán)境，滿足不同用戶的要求，SDZ智能電動執(zhí)行機構配置了多種不同的控制方式。
1.2.1 開關控制方式
4個遠程輸入開關分別用作遠程開閥、關閥、停止運行和緊急定位控制命令，其開閥、關閥和緊急定位的速度是用戶可以分別進行組態(tài)設定的。開關信號的作用方式（信號的極性、作用方式）是可以由用戶現(xiàn)場組態(tài)設定的。在開關控制方式下，電動執(zhí)行機構可以通過模擬輸出4～20mA和現(xiàn)場總線接口輸出當前的閥位信號，同時8個開關量輸出可以輸出執(zhí)行機構內部的8種不同的狀態(tài)。每個開關量輸出的狀態(tài)也是可以由用戶設定的。
1.2.2 模擬連續(xù)控制方式
執(zhí)行機構包括2路外部模擬量輸入通道，分別用作遠程設定和過程測量輸入，模擬量輸入信號的極性和零點是用戶選擇設定的。執(zhí)行機構內部包括閥門定位器和過程控制器兩種自動控制功能。當用作閥門定位器時，執(zhí)行機構跟蹤遠程設定的閥位命令控制閥門；而當用作過程控制時，則設定輸入作為受控的過程參數(shù)的設定值，過程控制器根據(jù)設定輸入和過程測量的差值來自行控制閥門的位置。在模擬控制方式下，電動執(zhí)行機構可以通過模擬輸出4～20mA或現(xiàn)場總線接口輸出當前的閥位信號，8個開關量輸出可以輸出執(zhí)行機構內部的8種不同的狀態(tài)。
1.2.3 現(xiàn)場總線控制方式
本機在設計上充分考慮了目前工業(yè)自動化領域內現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢，在軟件和硬件的結構上預留了現(xiàn)場總線的接口。目前在自動化領域內現(xiàn)場總線的標準比較多，因此本執(zhí)行機構將現(xiàn)場總線部分作為一個獨立的部分考慮，由獨立的CPU來實現(xiàn)，現(xiàn)場總線控制CPU與主控制器CPU采用標準的SCI通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而現(xiàn)場總線的協(xié)議由現(xiàn)場總線控制CPU實現(xiàn)，因此針對不同的現(xiàn)場總線協(xié)議必須配置不同的通信卡實現(xiàn)。在現(xiàn)場總線控制方式下，除可以實現(xiàn)開關、模擬連續(xù)控制方式外，還可以實現(xiàn)在線修改和監(jiān)視電動執(zhí)行機構內部的參數(shù)。其模擬量、開關量輸出仍然可以用作閥位和內部狀態(tài)輸出。
1.3 完善的人機接口界面及非接觸式閥位測量
SDZ電動執(zhí)行機構設置了就地人機接口。人機接口包括點陣液晶圖形主顯示器、段式閥位顯示器、狀態(tài)指示燈、模式選擇開關、功能按鍵和紅外通信接口。人機接口提供中文、英文等多種語言界面；操作者可以在就地模式下對閥門實施就地開關操控；在組態(tài)模式下進行各種功能配置設定，如控制模式、旋向、開關閥位的速度、開關閥門的保護力矩和位置、輸入輸出信號設置和行程調整等。在瀏覽模式下可以瀏覽執(zhí)行機構內部的各種狀態(tài)。而紅外接口則是用于和遙控器及外部計算機的連接，做到不開機殼即可以和外部的設備進行無線連接；滿足全密封的隔爆要求。采用正交編碼器非接觸式的閥位測量結構，取消了閥位測量元件與輸出軸的機械剛性連接，拓寬了執(zhí)行機構與閥門行程的適應范圍，也方便了閥門的行程調整。
1.4 全面的保護功能
SDZ執(zhí)行機構具有高度的自身保護及系統(tǒng)保護功能。在執(zhí)行機構運行的過程中,DSP芯片連續(xù)監(jiān)視電動機電流電壓,并根據(jù)所測的電壓電流值計算執(zhí)行機構的輸出力矩,當出現(xiàn)過電壓﹑過電流及過力矩時,DSP控制器就會發(fā)出控制,切斷電動機電源同時發(fā)生報警信號。電機繞組中的溫度傳感器連續(xù)檢測電機的實際工作溫度，可實現(xiàn)高溫報警和過熱保護。在閥門卡住的情況下保護功能還可以避免電動機被燒壞,因為在電動機通電期間不斷的檢測閥門的動作情況,若發(fā)現(xiàn)一定的時間內不動作,就認為發(fā)生卡住的情況,控制器便會切斷電源并報警。此外,當發(fā)生控制信號斷路等緊急情況時,執(zhí)行機構便會以預先設定好的緊急速度運行到緊急狀態(tài)位置,緊急狀態(tài)位置用戶可根據(jù)具體情況選擇,如全開﹑全關及保位等選項。
執(zhí)行機構具有掉電保護的功能。運行當中電源中斷,RAM中的數(shù)據(jù)將丟失。為將掉電造成數(shù)據(jù)丟失的影響降到最低,執(zhí)行機構每隔一定時間間隔向EEPROM中寫入系統(tǒng)運行參數(shù),使得參數(shù)不一致的時間間隔非常小。

2 SDZ電動執(zhí)行機構的硬件結構

隨著電子電路以及大規(guī)模集成電路的開發(fā)應用，各種高性能的電子器件和微處理器為智能電動執(zhí)行機構的開發(fā)研究奠定了基礎。SDZ電動執(zhí)行機構的硬件結構如圖1所示，SDZ執(zhí)行機構采用TI公司生產的TMS320LF2406A DSP作為控制系統(tǒng)的核心。TMS320LF2406A是為了滿足控制應用而設計的，片內集成有豐富的外設，包括：兩個事件管理器﹑一個16通道的A/D轉換器﹑控制器局域網絡(CAN) 2.0B模塊﹑SCI模塊以及SPI模塊等。TMS320LF2406A處理系統(tǒng)內所有的控制信號，包括對系統(tǒng)設定﹑采樣﹑顯示﹑報警﹑故障等信號的處理。同時通過控制事件管理器EVA產生用于變頻控制的SPWM波形,控制智能功率模塊IGBT管的導通與關斷,以實現(xiàn)對感應電機的控制。
電源逆變電路采用智能功率模塊(IPM)。IPM不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一塊,而且還內置有過電壓﹑欠電壓﹑過電流和過熱等故障監(jiān)測電路,并可將監(jiān)測信號送往DSP進行處理,是一種高性能的功率開關器件。

3 SDZ執(zhí)行機構軟件設計
軟件的設計采用前后臺方式，沒有引入多任務操作系統(tǒng)。后臺為一單一任務，當任務執(zhí)行完后又回到任務的開始處，不停的循環(huán)。前臺任務直接響應硬件中斷，系統(tǒng)沒有中斷處理時執(zhí)行后臺任務，當中斷發(fā)生時，后臺任務被掛起，前臺任務結束處理后，后臺任務繼續(xù)執(zhí)行。
3.1 主程序的設計
主程序流程由以下三部分組成：
(1) 系統(tǒng)初始化 DSP上電啟動后進行自檢，如有錯誤則報警，并使電動執(zhí)行機構處于停止狀態(tài)；否則從EEPROM中讀取系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)，DSP將這些參數(shù)存入數(shù)據(jù)存儲器中；DSP隨后進行其它初始化工作，如：設置事件管理器、使能看門狗電路、開中斷等。
(2) DSP掃描模式選擇開關的狀態(tài)，根據(jù)選擇開關的狀態(tài)進入相應的子程序。選擇開關的三種狀態(tài)分別對應三個不同的子程序。
(3) DSP根據(jù)中斷子程序設置的標志位讀取相關參數(shù)以及進行相應的處理。之所以在中斷服務子程序設置標志位而不是直接處理，主要是因為中斷子程序語句不能過長，退出中斷后，再由主程序根據(jù)各個標志位的設置進行相應的處理。
3.2 中斷服務程序的設計
系統(tǒng)使用了DSP的3個中斷，各自有不同的中斷優(yōu)先級，3個中斷依優(yōu)先級由高到低分別為：產生SPWM波形的定時器下溢中斷、系統(tǒng)定時器中斷以及接受閥位信息的SPI通信中斷。
定時器采用連續(xù)增減計數(shù)方式，每個載波周期都要產生一次下溢中斷，在下溢中斷服務子程序中計算下一個載波的占空比。為使下溢中斷處理時間盡可能短，下溢中斷程序采用匯編語言編寫，因此程序的設計涉及到C語言和匯編語言的混合編程，匯編中斷程序必須在入口處保護好當前的C運行環(huán)境，退出前再恢復中斷發(fā)生時的C運行環(huán)境。
系統(tǒng)定時中斷相當于系統(tǒng)的脈搏，程序設計中用到的定時和延時都是基于該周期性中斷實現(xiàn)的。此外，周期性中斷還用于完成一些周期性的工作，如置標志位等。
閥位測量電路通過SPI接口周期性的向DSP傳送當前閥位。在中斷子程序里，DSP將接收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器中，并向閥位測量電路回傳數(shù)據(jù)，閥位測量電路根據(jù)所收數(shù)據(jù)驗證此次通訊是否成功，如失敗則重發(fā)。

4 結束語

電動執(zhí)行機構廣泛應用于電力、化工、冶金和石油等領域，SDZ電動執(zhí)行機構設計中盡可能地采用大規(guī)模集成電路電子器件來替代和實現(xiàn)傳統(tǒng)執(zhí)行機構中的機械零部件，大幅度提高了智能化程度和可靠性。SDZ電動執(zhí)行機構具有軟件升級方便、網絡通信能力強、可靠性高以及調試方便等優(yōu)點，可以為工業(yè)生產提供極大的便利，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

1 鄧兵，潘俊民，潘志揚. 數(shù)字化閥門電動執(zhí)行機構. 自動化儀表，2001，22(7)
2 劉和平等編著. TMS320LF240x DSP結構、原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，2002