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  • 一种新型的电动流量调节阀驱动控制系统
    发布日期: 2018-11-6

    1 引言

    在最近几年,随着机电一体化的发展,电动阀的重要机械产品迎来了前所未有的市场。比传统电动阀来源多一天的工作,安全可靠。电动阀门应用领域广泛,在产品本身方面,电动阀的装配容易,故障率低,并能满足工业自动化的需求,行业的优势是更具成本效益的选择。随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论的快速发展,永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比,永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。

    随着科学技术的发展,在航天航空、国防、民用工业等多种领域,对电动流量调节阀的性能要求越来越高。目前的永磁同步电机以MCU作为控制器,三相桥作为驱动电路,采用低压控制高压的方式以及SVPWM技术,由于M0SFET的导通电压较高,MCU产生的PWM不足以驱动MOSFET或者IGBT的导通,往往在很多场合需要额外添加驱动电路;再有采用F0C算法需要对两相电流的采样,还有当母线电压过压或欠压时,要对故障进行检测和保护控制系统,这对于采样电路也有很高的要求,另外控制器要处理FOC算法,必须要有一定的运算能力;因此,现在出现了很多把驱动PWM电路和运放集成在一块MCU上,这在硬件上会变得更加简化,同时使得使用永磁同步电机作为电动执行器的电动流量调节阀精度很高。

    本文控制系统以MC9S12ZVMC128作为主控制器,分析了永磁同步电机矢量控制系统的基本变频调速原理以及控制系统软硬件的设计。并对永磁同步电机做了同步转速的实验,实验表明给定的转速和实际转速基本是同步的,因此使用永磁同步电机作为电动执行器的电动流量调节阀可以实现开关、调节动作的精确调节。

    2 电动流量调节阀原理

    2.1 电动流量调节阀基本原理

    电动阀通常由电动执行机构和阀门连接起来,经过安装调试后成为电动阀。电动阀使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门,实现阀门的开关、调节动作,从而达到对管道介质的开关或是调节目的。电动执行器使用永磁同步电机,通过矢量控制实现其精确控制。

    2.2 永磁同步电机数学模型

    为了简化设计,我们做出如下假设:

    1)忽略电机的损耗和铁心磁阻;

    2)把二极管理想化;

    3)将永磁同步电机的电导率忽略;

    4)电机运行的磁场正弦分布;

    5)电机产生的感应电动势均为正弦波;

    6)电机的永磁体磁导率等同于空气。

    永磁同步电机三相绕组的电压方程:

        1

    ABC三相静止坐标系下的永磁同步电机磁链方程为:

        2

    式中uAuBuC、分别表示三相绕组的相电压;Rs表示定子绕组电阻;ψAψBψC分别表示三相绕组的全磁链;ψfAψfBψfC分别为转子磁链;LALBLC分别为三相绕组的自感;LABLACLBC、分别每相绕组间的互感;iAiBiC分别为三相定子电流。

    2.3 永磁同步电机的矢置控制原理介绍

    在同步电机中当转子以同步转速与电机定子产生的气隙磁场以相同方向旋转时,定子和转子产生的气隙磁场之间不存在相对速度,而是在空间上互差一个电角度。由于两个相对静止的气隙磁场间相互作用,因而产生了电磁转矩,并拖动电机转子以同步转速旋转。

    同步转速的计算公式:

        3

    为了使永磁同步电机的控制效果能像直流电机一样简便,需要对永磁同步电机的不同状态进行坐标变换。矢量控制的计算中,一般常用有三种坐标变换:静止三相ABC坐标系变换到静止两相坐标系再变换到同步旋转两相坐标系。图1为静止三相ABC坐标系变换到静止两相坐标系的Clark变换,图2为静止两相坐标系变换到同步旋转两相坐标系Park变换。

    2 Park变换

    3 控制系统软硬件设计

    3.1 硬件设计

    基于MC9S12ZVMC128的永磁同步电机矢量控制系统的硬件框图如图3所示,主要有MCU核心控制器电路,逆变器电路,电流采样电路,PWM信号输入电路。MCU核心控制器电路以MCU MC9S12ZVMC128)为主,其最大的功能在于能够处理FOC控制算法,实现母线电压的检测以及PWM发生和MOS管驱动功能;逆变器电路通过6MOS进行组建,目的是搭建驱动电机运行的电路,该电路的主要功能是:通过三相全桥进行逆变,生成三相正弦波驱动电机运行;电流采样电路的主要功能是:对两相相电流进行采样,MCU根据采样的电流值来计算母线电流,作电机堵转保护且FOC算法需要根据两相电流来计算idiqPWM信号输入电路用作电机调速,通过捕获并计算其占空比然后根据一定的对应关系确定电机转速。

    3 永磁同步电机控制系统硬件框图

    3.2 软件设计

    在编程软件中,主程序的功能是通过调用各个子程序,使程序循环运行,以实现所要求的各种控制要求。应用程序是通过中断来实时丁的,通过一个周期性的ADC顺序中断来执行所有的电机控制任务。包括一个快速的电流环和一个慢速的速度环控制。主程序的程序流程图如图4所示。

    4 主程序流程图

    4 实验

    本文对控制系统进行了实验,通过FreeMASTER2.0软件编写了上位机。

    5 为上位机显示图。

    在实验中,上位机显示电机运行时是否出现故障,以及母线电压的变化,转速通过模拟表盘显示,可以看到母线电压为12V,转速设定的一样944RPM。黄色曲线为给定转速,棕色为实际转速,灰色为转速误差,从图5上可以看出,转速的误差是比较小的,给定的转速和实际转速基本是同步的。

    5 结论

    本文以MC9S12ZVMC128为核心控制器,分析了永磁同步电机矢量控制系统的基本变频调速原理以及控制系统软硬件的设计。并对永磁同步电机做了同步转速的实验,实验表明给定的转速和实际转速基本是同步的,因此使用永磁同步电机作为电动执行器的电动流量调节阀可以实现开关、调节动作的精确调节。

     

     

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