基于DSP的閥門(mén)開(kāi)度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任璟燚， 張莉萍， 申景雙， 陳宇晨

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600； 2.上海海維工業(yè)控制有限公司，上海 201499)

0 引 言

電機(jī)是閥門(mén)開(kāi)度控制系統(tǒng)中的核心硬件，本文系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電機(jī)(DC)作為驅(qū)動(dòng)。無(wú)刷直流電機(jī)能量轉(zhuǎn)換率相對(duì)交流異步電機(jī)更高，同時(shí)還具有小體積、低噪音等諸多優(yōu)點(diǎn)，十分適合用于驅(qū)動(dòng)閥門(mén)[1]。當(dāng)今的工業(yè)控制中，比例—積分—微分(PID)控制策略依舊被廣泛應(yīng)用。模糊控制的非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等特點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。TMS320F28335相對(duì)于STM32和TMS320F2812有著更強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，使模糊參數(shù)的計(jì)算速度得到保證。本文根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的特性與工作原理，結(jié)合脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)調(diào)速等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335的閥門(mén)開(kāi)度控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的科學(xué)性與可行性。

1 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)一般由轉(zhuǎn)子、定子、霍爾位置傳感器等構(gòu)成，目前的無(wú)刷直流電機(jī)使用最為廣泛的是三相電機(jī)，除此之外還有一相、二相以及多相[2]。本文采用的是三相無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，通過(guò)對(duì)電機(jī)定子的A，B，C三相繞組施加直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且與定子磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)霍爾傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，通過(guò)按照一定順序?qū)壿嬮_(kāi)關(guān)進(jìn)行導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的自動(dòng)換相。驅(qū)動(dòng)電路采用三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的連接驅(qū)動(dòng)方式[3]。

為了便于分析，假定：1)定子繞組完全對(duì)稱，星型連接，空間差為120°電角度。2)氣隙磁場(chǎng)分布為梯形波。3)電磁通路尚未飽和，不計(jì)剩磁、磁滯和渦流損耗。4)三相繞組電阻、電感完全相同。5)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組，永磁體無(wú)阻尼作用。通過(guò)以上假定，進(jìn)行分析可得到其數(shù)學(xué)模型，模型如文獻(xiàn)[2]中所述。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

硬件電路包括數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor，DSP)控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、隔離電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路、閥門(mén)開(kāi)度檢測(cè)電路等。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)DSP產(chǎn)生的6路PWM信號(hào)控制6個(gè)MOSFET的通斷情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的換相驅(qū)動(dòng)。通過(guò)采樣電阻對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，反饋給DSP控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流保護(hù)，保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。轉(zhuǎn)子位置由霍爾位置傳感器檢測(cè)到的脈沖反饋信號(hào)經(jīng)DSP判斷后獲得，以控制PWM信號(hào)的輸出，保證換相的及時(shí)準(zhǔn)確。由于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制直接影響對(duì)閥門(mén)的控制，DSP還可通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)速并運(yùn)用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而改變閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)時(shí)間[3，4]。對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行檢測(cè)是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的之一，通過(guò)電位器產(chǎn)生的信號(hào)可以方便快捷地獲得閥門(mén)的開(kāi)度，并且將其反饋到DSP，最終達(dá)到設(shè)定值[5]。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2101S作為驅(qū)動(dòng)芯片，芯片偏置電壓最高可以達(dá)到600 V。采用MOSFET作為逆變電路的功率開(kāi)關(guān)。電機(jī)的A相驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，其余兩相的驅(qū)動(dòng)電路與A相一致。C7作為自舉電容，以保證Q1的可靠導(dǎo)通。

圖2 電機(jī)A相驅(qū)動(dòng)電路

2.3 開(kāi)度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

對(duì)于閥門(mén)開(kāi)度的檢測(cè)通常有無(wú)開(kāi)度傳感器法與開(kāi)度傳感器法兩種[6]。

無(wú)開(kāi)度傳感器法可以通過(guò)軟件算法計(jì)算得到[7]。由于無(wú)刷直流電機(jī)每旋轉(zhuǎn)60°電平便會(huì)發(fā)生一次變換，通過(guò)霍爾元件捕捉這一變換的次數(shù)即可計(jì)算到無(wú)刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。假設(shè)無(wú)數(shù)直流電機(jī)與閥門(mén)控制蝸桿的傳動(dòng)比為n1，在閥門(mén)0%～100%整個(gè)行程中，控制蝸桿需要轉(zhuǎn)動(dòng)n2圈，則表明當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)n1轉(zhuǎn)時(shí)，控制蝸桿便轉(zhuǎn)動(dòng)一周;當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)n1n2轉(zhuǎn)時(shí)，閥門(mén)即達(dá)到全關(guān)狀態(tài)。從以上分析中，可以得出電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1圈整個(gè)閥門(mén)的開(kāi)度變化為1/n1n2，對(duì)閥門(mén)的控制精度可以通過(guò)傳動(dòng)比n1與蝸桿從全關(guān)到全開(kāi)的圈數(shù)n2進(jìn)行控制。如需要對(duì)控制精度達(dá)到1%，可以選擇n1=50︰1,n2=2的方案。

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了采用高精度電位器作為開(kāi)度傳感器，用于檢測(cè)閥門(mén)開(kāi)度[8]。具體原理為將閥門(mén)開(kāi)度的變化轉(zhuǎn)為電位器上阻值的變化進(jìn)而導(dǎo)致電流值的變化，并將信號(hào)送入DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，同時(shí)為了保證DSP的運(yùn)行可靠性，還須將信號(hào)按照一定比例縮放。其檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 開(kāi)度檢測(cè)電路

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

3.1 控制方案

本文使用誤差E和誤差變化率Ec作為模糊控制器的輸入變量，輸出則為PID控制器的三個(gè)參數(shù)的變化量，分別是ΔKP,ΔKI,ΔKD。模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)原理

在PID控制中，KP的增大可能會(huì)導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定；KI可以幫助消除靜態(tài)誤差，但KI增大的同時(shí)，會(huì)使得系統(tǒng)超調(diào)也變大，最后也可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定；KD增大，能使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，但無(wú)限增大同樣可能使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定[9]。

KP,KI,KD三個(gè)參數(shù)的整定原則如下：

1)由于增大KP的值，會(huì)獲得更快的響應(yīng)速度，但也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)更大的超調(diào)。因此調(diào)節(jié)初期可取較大的KP值；調(diào)節(jié)中期為了系統(tǒng)穩(wěn)定，將KP值調(diào)低；調(diào)節(jié)后期可以將KP值調(diào)大，以提高控制精度。

2)積分環(huán)節(jié)在有效消除誤差時(shí)也會(huì)影響超調(diào)。整定原則為調(diào)節(jié)初期減少積分作用；調(diào)節(jié)中期適當(dāng)增大積分作用；調(diào)節(jié)后期為降低系統(tǒng)靜差再加強(qiáng)積分作用。

3)微分環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。整定原則為調(diào)節(jié)初期加大微分作用；調(diào)節(jié)中期使積分作用保持在適當(dāng)范圍內(nèi)；調(diào)節(jié)后期，因?yàn)閷P值調(diào)低，此時(shí)微分環(huán)節(jié)恰好可以抵消因?yàn)镵P值下降導(dǎo)致的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)[9]。

3.2 隸屬度函數(shù)的確定與模糊規(guī)則表的建立

本文將模糊控制器的輸入變量設(shè)定為[-3,3]區(qū)間內(nèi)的連續(xù)變化量模糊論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}，而對(duì)3個(gè)輸出變量ΔKP,ΔKI,ΔKD的量化論域值分別設(shè)為[-0.3,0.3]，[-0.06,0.06]，[-3,3]。在模糊論域內(nèi)定義7個(gè)模糊集{FD，F(xiàn)Z，F(xiàn)X，O，ZX，ZD，ZZ}，這7個(gè)模糊集的相應(yīng)描述對(duì)應(yīng)如下：以兩個(gè)輸入變量為例，F(xiàn)D為負(fù)大，取值為-3附近；FZ為負(fù)中，取值為-2附近；FS為負(fù)小，取值為-1附近；O為零，取值為0附近；ZX為正小，取值為+1附近；ZZ為正中，取值為+2附近；ZD為正大，取值為+3附近。

該描述對(duì)于輸出變量ΔKP，ΔKI，ΔKD也適用，只是取值須作相應(yīng)調(diào)整[10]。根據(jù)模糊原則，可得到表1。

表1 模糊規(guī)則

為了在調(diào)節(jié)前期能夠使系統(tǒng)獲得更快的響應(yīng)速度，模糊控制器2的三個(gè)輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用Z型、三角型、S型三種隸屬度函數(shù)組合而成的復(fù)合隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 模糊控制器輸出量的隸屬度函數(shù)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用TMS320F28335作為主控芯片，軟件設(shè)計(jì)部分在CCS中完用C語(yǔ)言編寫(xiě)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序設(shè)計(jì)與中斷程序設(shè)計(jì)兩部分。主程序流程和中斷程序流程分別如圖6和圖7所示。

圖6 主程序設(shè)計(jì)

圖7 中斷程序設(shè)計(jì)

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)Multisim搭建相應(yīng)的仿真電路，并進(jìn)行仿真分析，仿真輸入信號(hào)為相位差120°的PWM信號(hào)，經(jīng)IR2101S芯片后HO與LO的輸出波形如圖8所示。

圖8 HO與LO的輸出波形

HO輸出信號(hào)參考點(diǎn)為H橋上橋臂MOSFET的源極，即IR2101S的VS端?？梢?jiàn)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片后波形穩(wěn)定，且MOSFET柵源極電壓均能達(dá)到15 V左右，具有可靠的導(dǎo)通效果。

通過(guò)上述的硬件系統(tǒng)分析，制作相應(yīng)控制板，并通過(guò)仿真器連接DSP，將算法程序燒寫(xiě)到DSP中，搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，并與文獻(xiàn)[11]中采用MATLAB仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表2可知，本文所提出的模糊PID控制策略由于對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)隸屬度函數(shù)和論域劃分進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)比文獻(xiàn)[11]中所述規(guī)則設(shè)置的模糊PID控制，超調(diào)量也得到了顯著改善。閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定值與實(shí)際值的對(duì)照表如表3所示。

表3 閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定值與實(shí)際值 %

從表3中數(shù)據(jù)可知，誤差基本控制在0.3 %以內(nèi)，排除檢測(cè)手段精度上的誤差，誤差控制穩(wěn)定，表明本閥門(mén)控制系統(tǒng)控制效果良好。其中將閥門(mén)開(kāi)度從0 %控制到50 %與100 %(即全關(guān))時(shí)的轉(zhuǎn)速變化情況如圖9所示。

圖9 閥門(mén)轉(zhuǎn)速行程

為了更精確地控制閥門(mén)的開(kāi)度，采取雙速控制，在整個(gè)控制過(guò)程的后20 %使電機(jī)先保持1 500 r/min的轉(zhuǎn)速，而后逐步降低轉(zhuǎn)速。

6 結(jié) 論

本文系統(tǒng)整體完成了預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)，在轉(zhuǎn)速響應(yīng)方面，對(duì)比文獻(xiàn)[11]上升時(shí)間減少8 %，調(diào)節(jié)時(shí)間減少5.8 %，超調(diào)量降低46 %。在閥門(mén)控制方面，本設(shè)計(jì)對(duì)于直行程的矩形閥門(mén)有很好的控制效果，約在2.6 s完成到50 %的開(kāi)度控制，而從全開(kāi)到全關(guān)則耗時(shí)約4.2 s。