基于DSP實現的SDZ智能電動執行機構

摘 要 論述了SDZ智能電動執行機構的設計與開發。結合SDZ執行機構的功能特點，介紹了智能電動執行機構的基本功能。給出了系統的硬件結構以及程序的總體設計。
關鍵詞 電動執行機構 數字信號處理器 智能功率模塊
0 引言
在流程工業控制系統中，電動執行機構接收控制系統的輸出指令并將其轉變為閥門位置，實現最終的控制作用；執行機構的控制精度、可靠性對控制系統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中的應用，傳統的控制系統的結構和方式正在發生著一系列革命性的變革，如基于傳統的、一對一、單向的模擬信號傳輸機制正在向基于現場總線的全數字、多節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智能電動執行機構研制實踐及其基本功能。

1 SDZ執行機構結構特點

一般電動執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，以實現控制或保護功能；外部接口包括接收外部命令和發送內部參數，以適應控制中的各種要求。SDZ新型智能電動執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行機構的一個重要指標，為了實現精確的位置跟蹤，執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，減少起動次數是非常有利的。這是傳統電動執行機構無法做到的。
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過程控制的最優化。
1.2 豐富的可組態控制方式
為了能夠適應用戶各種應用環境，滿足不同用戶的要求，SDZ智能電動執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）是可以由用戶現場組態設定的。在開關控制方式下，電動執行機構可以通過模擬輸出4～20mA和現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行機構內部的8種不同的狀態。每個開關量輸出的狀態也是可以由用戶設定的。
1.2.2 模擬連續控制方式
執行機構包括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的設定值，過程控制器根據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，電動執行機構可以通過模擬輸出4～20mA或現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行機構內部的8種不同的狀態。
1.2.3 現場總線控制方式
本機在設計上充分考慮了目前工業自動化領域內現場總線技術的發展趨勢，在軟件和硬件的結構上預留了現場總線的接口。目前在自動化領域內現場總線的標準比較多，因此本執行機構將現場總線部分作為一個獨立的部分考慮，由獨立的CPU來實現，現場總線控制CPU與主控制器CPU采用標準的SCI通信接口，實現數據共享，而現場總線的協議由現場總線控制CPU實現，因此針對不同的現場總線協議必須配置不同的通信卡實現。在現場總線控制方式下，除可以實現開關、模擬連續控制方式外，還可以實現在線修改和監視電動執行機構內部的參數。其模擬量、開關量輸出仍然可以用作閥位和內部狀態輸出。
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行機構內部的各種狀態。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執行機構具有高度的自身保護及系統保護功能。在執行機構運行的過程中,DSP芯片連續監視電動機電流電壓,并根據所測的電壓電流值計算執行機構的輸出力矩,當出現過電壓﹑過電流及過力矩時,DSP控制器就會發出控制,切斷電動機電源同時發生報警信號。電機繞組中的溫度傳感器連續檢測電機的實際工作溫度，可實現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,若發現一定的時間內不動作,就認為發生卡住的情況,控制器便會切斷電源并報警。此外,當發生控制信號斷路等緊急情況時,執行機構便會以預先設定好的緊急速度運行到緊急狀態位置,緊急狀態位置用戶可根據具體情況選擇,如全開﹑全關及保位等選項。
執行機構具有掉電保護的功能。運行當中電源中斷,RAM中的數據將丟失。為將掉電造成數據丟失的影響降到最低,執行機構每隔一定時間間隔向EEPROM中寫入系統運行參數,使得參數不一致的時間間隔非常小。

2 SDZ電動執行機構的硬件結構

隨著電子電路以及大規模集成電路的開發應用，各種高性能的電子器件和微處理器為智能電動執行機構的開發研究奠定了基礎。SDZ電動執行機構的硬件結構如圖1所示，SDZ執行機構采用TI公司生產的TMS320LF2406A DSP作為控制系統的核心。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處理系統內所有的控制信號，包括對系統設定﹑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測電路,并可將監測信號送往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。后臺為一單一任務，當任務執行完后又回到任務的開始處，不停的循環。前臺任務直接響應硬件中斷，系統沒有中斷處理時執行后臺任務，當中斷發生時，后臺任務被掛起，前臺任務結束處理后，后臺任務繼續執行。
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，并使電動執行機構處于停止狀態；否則從EEPROM中讀取系統組態參數，DSP將這些參數存入數據存儲器中；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，根據選擇開關的狀態進入相應的子程序。選擇開關的三種狀態分別對應三個不同的子程序。
(3) DSP根據中斷子程序設置的標志位讀取相關參數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
系統使用了DSP的3個中斷，各自有不同的中斷優先級，3個中斷依優先級由高到低分別為：產生SPWM波形的定時器下溢中斷、系統定時器中斷以及接受閥位信息的SPI通信中斷。
定時器采用連續增減計數方式，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運行環境，退出前再恢復中斷發生時的C運行環境。
系統定時中斷相當于系統的脈搏，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將接收到的數據存入數據存儲器中，并向閥位測量電路回傳數據，閥位測量電路根據所收數據驗證此次通訊是否成功，如失敗則重發。

4 結束語

電動執行機構廣泛應用于電力、化工、冶金和石油等領域，SDZ電動執行機構設計中盡可能地采用大規模集成電路電子器件來替代和實現傳統執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點，可以為工業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. 數字化閥門電動執行機構. 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