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            首頁技術文章 控制閥

            一種新型的電動流量調節閥驅動控制系統

            梅索尼蘭閥門(蘇州)有限公司  發布時間:2019-05-29 00:00:00  閱讀次數:1680

            摘 要:電動流量調節閥就是用電動執行器控制閥門,從而實現閥門的開和關。其可分為上下兩部分,上半部分為電動執行器,下半部分為閥門。本文主要介紹采用永磁同步電機矢量控制的電動執行器,設計了一套基于MC9S12ZVMC128的永磁同步電機矢量控制系統。論述了永磁同步電機的調速系統的基本組成、工作原理、數學模型以及常用控制策略。?

            關鍵字:永磁同步電機 MC9S12ZVMC128 矢量控制


             

            1 引言

            在最近幾年,隨著機電一體化的發展,電動閥的重要機械產品迎來了前所未有的市場。比傳統電動閥來源多一天的工作,安全可靠。電動閥門應用領域廣泛,在產品本身方面,電動閥的裝配容易,故障率低,并能滿足工業自動化的需求,行業的優勢是更具成本效益的選擇。隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論的快速發展,永磁同步電動機得以迅速的推廣應用。與傳統的電勵磁同步電機相比,永磁同步電機具有損耗少、效率高、節電效果明顯的優點。

            隨著科學技術的發展,在航天航空、國防、民用工業等多種領域,對電動流量調節閥的性能要求越來越高。目前的永磁同步電機以MCU作為控制器,三相橋作為驅動電路,采用低壓控制高壓的方式以及SVPWM技術,由于M0SFET的導通電壓較高,MCU產生的PWM不足以驅動?MOSFET或者IGBT的導通,往往在很多場合需要額外添加驅動電路;再有采用F0C算法需要對兩相電流的采樣,還有當母線電壓過壓或欠壓時,要對故障進行檢測和保護控制系統,這對于采樣電路也有很高的要求,另外控制器要處理FOC算法,必須要有一定的運算能力;因此,現在出現了很多把驅動PWM電路和運放集成在一塊MCU上,這在硬件上會變得更加簡化,同時使得使用永磁同步電機作為電動執行器的電動流量調節閥精度很高。

            本文控制系統以MC9S12ZVMC128作為主控制器,分析了永磁同步電機矢量控制系統的基本變頻調速原理以及控制系統軟硬件的設計。并對永磁同步電機做了同步轉速的實驗,實驗表明給定的轉速和實際轉速基本是同步的,因此使用永磁同步電機作為電動執行器的電動流量調節閥可以實現開關、調節動作的精確調節。

            2 電動流量調節閥原理

            2.1 電動流置調節閥基本原理

            電動閥通常由電動執行機構和閥門連接起來,經過安裝調試后成為電動閥。電動閥使用電能作為動力來接通電動執行機構驅動閥門,實現閥門的開關、調節動作,從而達到對管道介質的開關或是調節目的。電動執行器使用永磁同步電機,通過矢量控制實現其精確控制。

            2.2 永磁同步電機數學模型?

            為了簡化設計,我們做出如下假設:

            (1)忽略電機的損耗和鐵心磁阻;

            (2)把二極管理想化;??

            (3)將永磁同步電機的電導率忽略;

            (4)電機運行的磁場正弦分布;?

            (5)電機產生的感應電動勢均為正弦波;

            (6)電機的永磁體磁導率等同于空氣。

            永磁同步電機三相繞組的電壓方程:

                (1)

            A、B、C三相靜止坐標系下的永磁同步電機磁鏈方程為:

                (2)

            式中uA、uB、uC、分別表示三相繞組的相電壓;Rs表示定子繞組電阻;ψA、ψB、ψC分別表示三相繞組的全磁鏈;ψfA、ψfB、ψfC分別為轉子磁鏈;LA、LB、LC分別為三相繞組的自感;LAB、LAC、LBC、分別每相繞組間的互感;iA、iB、iC分別為三相定子電流。

            2.3 永磁同步電機的矢置控制原理介紹

            在同步電機中當轉子以同步轉速與電機定子產生的氣隙磁場以相同方向旋轉時,定子和轉子產生的氣隙磁場之間不存在相對速度,而是在空間上互差一個電角度。由于兩個相對靜止的氣隙磁場間相互作用,因而產生了電磁轉矩,并拖動電機轉子以同步轉速旋轉。

            同步轉速的計算公式:

                (3)

            為了使永磁同步電機的控制效果能像直流電機一樣簡便,需要對永磁同步電機的不同狀態進行坐標變換。矢量控制的計算中,一般常用有三種坐標變換:靜止三相A、B、C坐標系變換到靜止兩相坐標系再變換到同步旋轉兩相坐標系。圖1為靜止三相A、B、C坐標系變換到靜止兩相坐標系的Clark變換,圖2為靜止兩相坐標系變換到同步旋轉兩相坐標系Park變換。??

            圖2 Park變換

            3 控制系統軟硬件設計

            3.1 硬件設計??

            基于MC9S12ZVMC128的永磁同步電機矢量控制系統的硬件框圖如圖3所示,主要有MCU核心控制器電路,逆變器電路,電流采樣電路,PWM信號輸入電路。MCU核心控制器電路以MCU?(MC9S12ZVMC128)為主,其最大的功能在于能夠處理FOC控制算法,實現母線電壓的檢測以及PWM發生和MOS管驅動功能;逆變器電路通過6個MOS進行組建,目的是搭建驅動電機運行的電路,該電路的主要功能是:通過三相全橋進行逆變,生成三相正弦波驅動電機運行;電流采樣電路的主要功能是:對兩相相電流進行采樣,MCU根據采樣的電流值來計算母線電流,作電機堵轉保護且FOC算法需要根據兩相電流來計算id和iq:PWM信號輸入電路用作電機調速,通過捕獲并計算其占空比然后根據一定的對應關系確定電機轉速。

            圖3 永磁同步電機控制系統硬件框圖

            3.2 軟件設計

            在編程軟件中,主程序的功能是通過調用各個子程序,使程序循環運行,以實現所要求的各種控制要求。應用程序是通過中斷來實時丁的,通過一個周期性的ADC順序中斷來執行所有的電機控制任務。包括一個快速的電流環和一個慢速的速度環控制。主程序的程序流程圖如圖4所示。


            圖4 主程序流程圖

            4 實驗?

            本文對控制系統進行了實驗,通過FreeMASTER2.0軟件編寫了上位機。

            圖5 為上位機顯示圖。?

            在實驗中,上位機顯示電機運行時是否出現故障,以及母線電壓的變化,轉速通過模擬表盤顯示,可以看到母線電壓為12V,轉速設定的一樣944RPM。黃色曲線為給定轉速,棕色為實際轉速,灰色為轉速誤差,從圖5上可以看出,轉速的誤差是比較小的,給定的轉速和實際轉速基本是同步的。?

            5 結論

            本文以MC9S12ZVMC128為核心控制器,分析了永磁同步電機矢量控制系統的基本變頻調速原理以及控制系統軟硬件的設計。并對永磁同步電機做了同步轉速的實驗,實驗表明給定的轉速和實際轉速基本是同步的,因此使用永磁同步電機作為電動執行器的電動流量調節閥可以實現開關、調節動作的精確調節。

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