基于無刷直流電機(jī)的執(zhí)行器防堵轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張壽春

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，電動(dòng)執(zhí)行器能夠?qū)⒔邮盏目刂菩盘?hào)轉(zhuǎn)換成輸出軸的位移從而控制閥門的位置[1]。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行器采用交流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和電機(jī)控制理論的快速發(fā)展，無刷直流電機(jī)[2]因體積小，控制精度高以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。目前已有采用無刷直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器，由于這些設(shè)備的工作場(chǎng)合往往環(huán)境較惡劣，容易產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。由于電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)電流很大，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)燒壞電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)和控制器。因此防堵轉(zhuǎn)是無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器的關(guān)鍵問題。

文中根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制特點(diǎn)，采用ARM核的LPC2132[3]和電流采集硬件保護(hù)電路來保護(hù)電機(jī)及控制器，同時(shí)采用軟硬件相結(jié)合的方法來使執(zhí)行器在啟動(dòng)和運(yùn)行等不同的狀態(tài)下對(duì)電流進(jìn)行精確的控制，從而進(jìn)行過流保護(hù)。結(jié)果表明，采用該方法后系統(tǒng)具有良好的防堵轉(zhuǎn)保護(hù)性能及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能智能化處理異常狀況。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用LPC2132芯片微處理單元來控制電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行。通過各種參數(shù)的設(shè)置來控制定閥門的回差、速度和行程等。對(duì)于堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路來說主要有電流采集模塊，限流保護(hù)模塊，驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊等組成。系統(tǒng)通過直流電源來供電，一路供驅(qū)動(dòng)電路，另一路經(jīng)過降壓給控制系統(tǒng)供電。因?yàn)橄到y(tǒng)耗電主要是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，所以采集電機(jī)的相電流作為判斷處理的依據(jù)。是，將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，同時(shí)提供給驅(qū)動(dòng)電路和微處理器。采集的電流信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相結(jié)合共同作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)微處理器通過獲得的電流數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of system principle

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路主要有二部分組成：一是驅(qū)動(dòng)電流采集電路；二是驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)控制電路。無刷直流電機(jī)常用6個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管通過換相導(dǎo)通來驅(qū)動(dòng)，可以選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片如MC33035[4]或分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路。電流采集電路如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電流在R7上產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)VB，通過R5和C1濾波接入比較器LM2903的反相輸入端，5 V經(jīng)過電阻R2和R3的分壓接入比較器的同相輸入端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過設(shè)定的電流值時(shí)，比較器的輸出為低電平，PWM的信號(hào)變低，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，從而限制了電機(jī)的電流。由于電流采集采用了濾波電路，限制的是電流的平均值。用LPC2132的AD口來采集電壓，當(dāng)超過設(shè)定值，關(guān)閉PWM信號(hào)延時(shí)100 μs，否則打開PWM信號(hào)。

圖2 電流信號(hào)采集電路圖Fig.2 Circuit Diagram of electric current signal collecting

在圖3中，電源+24 V通過場(chǎng)效應(yīng)管IRF4905管的開通來提供電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，Q2所起的作用是個(gè)開關(guān)。當(dāng)B點(diǎn)的電壓超過設(shè)定的電流極限時(shí)，比較器U3輸出的是低電平，與門的輸出是低電平，Q1截止，場(chǎng)效應(yīng)管IRF4905不導(dǎo)通，從而切斷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果電流沒有超過設(shè)定值，那么比較器U3輸出的是高電平，同時(shí)LPC2132的輸出PWM信號(hào)的占空比減小直至為高電平，Q1保持導(dǎo)通使得電源電壓全部加到驅(qū)動(dòng)電路上。采用此部分電路主要是保護(hù)供電的開關(guān)電源，防止短路電流超過一定的值而導(dǎo)致電源打隔，同時(shí)也對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的尖鋒電流進(jìn)行保護(hù)。

圖3 限流保護(hù)圖Fig.3 Circuit diagram of electric current limited protection

3 軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計(jì)主要有：PWM初始化程序，堵轉(zhuǎn)判斷程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流AD采集程序，堵轉(zhuǎn)后的處理程序等。由于系統(tǒng)需要多路PWM信號(hào)，所以利用LPC2132的I/O口的PWM資源來輸出多個(gè)信號(hào)[5-6]。

下面的程序主要是堵轉(zhuǎn)的判斷與處理，例如，當(dāng)輸入小于輸出時(shí)，運(yùn)動(dòng)之前程序首先進(jìn)行堵轉(zhuǎn)的標(biāo)志Error3的判斷，如果沒有堵，那么執(zhí)行器將向下運(yùn)動(dòng)。如果發(fā)生堵轉(zhuǎn)，Error3Count3進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)入堵轉(zhuǎn)處理，反方向運(yùn)動(dòng)10%。當(dāng)堵轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)達(dá)4次，執(zhí)行器本身仍然堵，則停止運(yùn)動(dòng)。如果堵轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)沒有達(dá)4次，而反方向運(yùn)動(dòng)10%后堵轉(zhuǎn)消除，則執(zhí)行器自動(dòng)恢復(fù)正常，同時(shí)計(jì)數(shù)清零。

4 結(jié)束語

由于電動(dòng)執(zhí)行器工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差，執(zhí)行器容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)。特別是采用無刷直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的電流，類似與短路，在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)燒毀控制器和電機(jī)。為了保護(hù)電機(jī)和控制器，控制器必須有堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路。利用比較器將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的信號(hào)接入驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)通過采集電流的值及電流峰值控制電路來控制供電電源，實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)，在軟件上采用智能化處理，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，增加了系統(tǒng)本身的可靠性。本文所設(shè)計(jì)的保護(hù)電路在發(fā)生堵轉(zhuǎn)后不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間有大電流通過無刷電機(jī)和控制器，從而損壞電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)已投入使用，工作可靠，性能穩(wěn)定。

[1]慈兆會(huì)，孔令成，方穎，等.基于TMS320F2812的智能電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2010，10（29）:55-57.

CI Zhao-hui，KONG Ling-cheng，F(xiàn)ANG ying，et al.Control system of intelligent electric actuator based on TMS320F2812[J].Measurement&Control Technology，2010，10（29）:55-57.

[2]葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:科技出版社，2007.

[3]PhilipsSemiconductors.LPC2132 Productdata[EB/OL].[2010-11-07].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/99073/PHILIPS/LPC2132.html.

[4]ON Semiconductors.MC33035[EB/OL].[2011-12-09].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/174254/ONSEMI/MC 33035.html.

[5]周立功，張華.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x（下冊(cè)）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[6]周立功，張華.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x（上冊(cè)）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.