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    阀门电动执行器控制系统设计方案与利用分析

    品种:调节阀附件 | 笔者:赵慧娴 吴新伟 | 通告日期:2018-08-09 16:17:38

        机关执行器普通由控制系统、驱动电机、执行机构等组成,控制系统作为基本部分,伊性质将直接决定阀门的职位控制精度。机关执行机构控制系统多基于PLC或单片机搭建,控制功能比较理想,但是PLC在可扩展性、二次开发等方面存在短板且成本较高;单片机运算处理能力有限。DSP即数字信号处理器,兼顾数据处理和实时控制而且易于开发。以32位定点DSP芯片TMS320F2812为例,伊专门针对电机控制和运动控制而设计。硬件配置上,TMS320F2812具有丰富的商用输入输出接口、16通道12位A/D转换器、两个事件管理器以及大用户量的片上存储器,能够较好地满足电动执行器的左右需求;运算速度上,TMS320F2812可以达到150MIPS,可以临时地处理复杂控制算法,落实高精度控制,合同电机的职位控制精度以及速度控制的常态特性;打电话方面,TMS320F2812芯片支持多种通信机制,如UART串口通信、CAN全线通信、SPI全线通信等,能够很红火地落实人机交互界面的计划以及同其它系统之间的消息交互。完全来说,基于TMS320F2812的自发性执行器控制系统不仅具有传统专用控制器的劣势,而且具备很好的购并性、可扩展性、二次开发性,加强了控制系统的可靠性、拍卖速度以及通用性。

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        本文在现有研究之基础上,基于TMS320F2812计划一种机关执行机构控制系统,在电路设计、硬件设计、使用研究等方面进行论述。 情节来自junjinmaoyi.com

    1、机关执行器

        机关执行器结构原理如图1所示,穿过十字滑块联轴节,电机与滚珠丝杠实现对接;滚珠丝杠和滑移平台通过螺母连接。电机输出转矩以驱动滚珠丝扛转动,要求克服回转体阻尼力和转动惯量等的企图。编码器主要承担采集电机转角信号,以便于实现闭环控制,不过应根据现实利用需求和标准决定是否安装编码器或其它传感器,如霍尔传感器。滚珠丝杠可将电机输出的旋转运动转化为直线运动。滑移平台用于固定工作负载。穿过电动执行器的组织原理图可知:机关执行器的运作状态取决于电机特性及其控制系统,在稳定水平上电机可以看做电动执行器的主干部件。在机关执行器中常见运用的电机主要有3种,即步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机等。其中步进电机电动执行器具有资金低廉、控制简单等特征,所以他使用最广大。希冀中J为电机转动惯量;B为黏滞阻尼系数;T为电机输出转矩;ω为电机转速;m为负载质量;F为外部干扰力;v为滑动平台x方向的运作速度,户均为特点电动执行器特性的重点指数。 junjinmaoyi.com

    机关执行器结构原理图 copyright junjinmaoyi.com

    希冀1 机关执行器结构原理图 copyright junjinmaoyi.com

    2、控制系统设计

        机关执行器控制系统基于微控制器TMS320F2812计划,执行机构选用步进电机,控制系统结构如图2所示。由图2能够,机关执行器控制系统主要包括上位机、CAN打电话模块、微控制器、步进电机驱动电路、数检测等一些。穿过现场控制面板或者上位机设定相关参数;数经CAN全线传送至探针TMS320F2812,穿过运算得到步进电机控制量,进而实现其速度、旋转角度等控制;步进电机的旋转输出经滚珠丝杠进行宣传形式转化以及减速处理后进行阀杆控制,进而实现阀门开口度的左右。此外,步进电机一端装有霍尔传感器,用于电机转速和职务控制;调节阀门处装有流量、压力等传感器,募集的增量、压力等信号经简单处理后传送至探针TMS320F2812的A/D模块,与设定值比较,得到偏差数值,穿过调节步进电机位置和速度保证阀门开口精度,说到底实现自动控制。 junjinmaoyi.com

    控制系统结构简图 昆明普惠斯

    希冀2 控制系统结构简图

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    2.1 步进电机驱动电路 情节来自junjinmaoyi.com

        现阶段,现实中常见运用的步进电机驱动器体积比较大、资本比较高。为减少控制系统体积,本文不采取成品步进电机驱动器而是设计了一种步进电动机驱动电路并将他与微控制器做在总共。

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        步进电机驱动电路包括环形分配器和功率驱动2一些。其中,方形分配器既可以用软件实现也得以用硬件实现。考虑到微控制器的劳作担负,加强可靠性,方形分配器通过硬件方式来促成,即选用专用集成电路。本文所述控制系统选用专用步进电机控制芯片PMM8713PT开展环形分配器设计。该芯片控制功能比较丰富,合同于两相或四相步进电机控制。因为步进电机所需驱动电流相对较大,故而要在步进电动机和推进器之间添加功率放大电路。此外,考虑到步进电机的高电平、大功率对控制器的烦扰,TMS320F2812的左右接口不能直接与步进电机相连,要求添加隔离电路。 昆明普惠斯

        步进电机驱动电路如图3所示。TMS320F2812与PMM8713PT的接口共有6个,分手是GPIOA0-Em,GPIOA1-Co,GPIOA2-Eb,GPIOA3-Ea,GPIOA4-U/D,GPIOA5-Ck;PMM8713PT的Cd,Cu接地;引脚Ck收到TMS320F2812发送的脉冲;R和��c引脚通过上拉电阻接高电平。其中,引脚GPIOA0用于判断环形分配器是否健康通电;引脚GPIOA1用于判断环形分配器是否能够正常接收TMS320F2812发出的脉冲信号;引脚GPIOA2和GPIOA3用于确定步进电机通电模式,顶GPIOA2和GPIOA3引脚均为高电平时,步进电机通电模式为双四相4拍;顶GPIOA2和GPIOA3引脚均为低电平时,步进电机通电模式为四相8拍;顶GPIOA3为低电平、GPIOA2为高电平时,步进电机通电模式为四相4拍。顶引脚Ck脉冲处于下降沿、GPIOA4引脚为高电平时,步进电机正转;顶引脚Ck脉冲处于下降沿、GPIOA4引脚为低电平时,步进电机反转。��1、��2、��3、��4的转口信号分别用于控制步进电机四相绕组,该信号经功率放大电路和荣誉耦电路处理后用于控制电机绕组。希冀3外方仅给出一相绕组的电路,任何3外貌绕组的驱动方式相同。 copyright junjinmaoyi.com

    步进电机驱动电路

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    希冀3 步进电机驱动电路 本文来自hot88竞技官网

    2.2 CAN全线电路 情节来自junjinmaoyi.com

        CAN全线通信不受地址、重点数限制而且具有比较强的抗干扰能力,伊已普遍应用于现场总线控制、仪器仪表、数控机床、面包车等世界。考虑到通信距离、现场干扰等因素,本文并没有使用TMS320F2812玉器的CAN模块,而是合同专业的CAN玉器和服务器。CAN全线电路主要包括空调器TMS320F2812、CAN玉器和CAN探测器。其中,CAN玉器选用SJA1000,第一承担CAN全线通信协议,用于实现报文之组建与拆分以及接收信息的校验和过滤等。CAN探测器选用82C250,伊具有较好的热防护、降低射频干扰(RFI)、霎时抗干扰能力。为进一步增长通信抗干扰能力,可采取光耦实现SJA1000和82C250之间的核电隔离,为减轻光耦对信号的影响如延迟效应,可选用高速光耦6N137。CAN全线电路如图4所示。 junjinmaoyi.com

    CAN全线电路 本文来自hot88竞技官网

    希冀4 CAN全线电路 copyright junjinmaoyi.com

    2.3 电机位置检测

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        步进电机一端装有3个霍尔效应传感器,相邻两个之间间隔120°。霍尔传感器会输出3个180°的附加信号,经一级RC滤波处理后,传送至探针TMS320F2812破获单元的投入引脚cap1,cap2,cap3。破获单元设置为上升沿和降低沿检测信号;电机旋转1周,3个霍尔传感器总共生成6个换向信号;相邻两个换向信号间隔的教条角度为60°。这就是说基于电机轴位置信号的转移可以从容地得到电机的现实转速:

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    ω=Δθ/ΔT    (1) 昆明普惠斯

    式中:Δθ为机械角度;ΔT为转角Δθ对应的年华。 情节来自junjinmaoyi.com

        出于霍尔传感器相对步进电机轴的职位是一成不变的,故而任意两个相邻换向信号对应的教条转角Δθ为常量。由式(1)能够,ω与ΔT成反比,而且ΔT的切实可行数值可通过计算任意一个边沿捕获中断计数器相邻两个数值的差值得到。

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    3、硬件设计

    3.1 主程序 junjinmaoyi.com

        控制系统主程序主要涉及TMS320F2812相关寄存器的初始化,借鉴模式选择以及不同模式下力量函数的落实。

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        现场操作模式下,举目四望开始、停止、急停等按键。顶开始按键有效时,阀门开向运动;顶停止按键有效时,阀门关向运动;顶急停按键有效时,阀门停在手上位置。 hot88竞技官网

        远程操作模式下,最先读取开始区、零点值等数并设置速度;穿过A/D采访获取阀位设定值;采取职务PID控制全自动执行器保证阀门精确地宣传到设定位置。 hot88竞技官网

        数设置模式下,使能SCI中断接收用户设置的底数并存储。主程序流程如图5所示。

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    机关执行器主程序流程图 hot88竞技官网

    希冀5 主程序流程图 junjinmaoyi.com

    3.2 速度和职务控制

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        机关执行器的进度、位置控制框图如图6所示。速度调节基于PI控制实现,系统从上位机获取阀门速度设定值;经涡轮蜗杆减速处理后作为步进电机速度给定值。由此看来,穿过霍尔传感器输出的电机位置信号可以计算出电机实际速度;现实速度和给定速度值的差值作为PI玉器的投入。而PI玉器输出作为相电流控制的参考值。外貌电流采样值和参考值的差值作为电流PID玉器输入,伊出口直接控制PWM信号,进而实现电机转速的调整。

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    机关执行器速度PI控制框图

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    希冀6 机关执行器速度PI控制框图 情节来自junjinmaoyi.com

        控制系统检测到的水电信号,经转换电路处理后可变为0~3.3V的电压信号,接下来传送至TMS320F2812的A/D端口。出于电流信号大小与阀门位置成线性关系,故而根据A/D所采集电压值可以得到阀门位置设定值R(k)。同时,穿过步进电机上装配的核电编码器以及TMS320F2812的正交脉冲编码(QEP)电路,可以检测、计算出阀门实际位置c(k)。名将实际值和设定值期间的差值e(k)表现阀门位置PID玉器的投入,伊出口u(k)控制电机开向运动、关向运动、停止等,以保证阀门精确地宣传到他家指定的职位。

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        不管速度PID控制还是位置PID控制,顶电机启动、停止或者设定值大幅变动时,系统输出会生活很大的过错。此种情况下,如果简单采用常规PID控制算法势必造成积分积累,名将导致比较大的体系超调,甚至引起系统振荡。所以,本文引入了积分分离PID控制算法,该疗法不但可以保持积分作用,而且能够减小超调量。等级分分离PID控制算法可以描述为:

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    1. 定义积分项参数α和系统阈值ε>0;
    2. 如果系统偏差|e(k)|>ε,这时α=0;可以运用PD控制,在保证体系快速响应的同时避免出现较大超调;
    3. 如果偏差|e(k)|≤ε,这时α=1;可以运用PID控制,所以保证体系控制精度;
    4. PID控制方程的考分分离形式为

        (2) 本文来自hot88竞技官网

    式中:Kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数;k为采样时刻;T为采样周期。

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        等级分分离PID控制流程如图7所示。 昆明普惠斯

    机关执行器积分分离PID控制流程图

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    希冀7 等级分分离PID控制流程图 本文来自hot88竞技官网

    顶|e(k)|>ε,即α=0时

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        (3) 昆明普惠斯

    顶|e(k)|≤ε,即α=1时

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        (4)

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    式中:

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        (5)

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        (6) 情节来自junjinmaoyi.com

    4、使用研究

        为检验所述控制系统的倾向和卓有成效,以电动执行器轨迹跟踪为例,进行了相关应用研究。针对圆形曲线和正弦曲线的航程跟踪实验结果如图8所示,由实验结果可以看到:现实轨迹和给定轨迹基本吻合,可以保证执行机构十分精确地开展轨迹跟踪控制;检察了所述电动执行器位置和速度控制方法的实惠;表明了所述基于DSP的自发性执行器控制系统的可靠性和卓有成效。 本文来自hot88竞技官网

    机关执行机构轨迹跟踪实验结果 copyright junjinmaoyi.com

    希冀8 轨道跟踪实验结果

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