基于無刷直流電機的執(zhí)行器防堵轉系統(tǒng)的設計

摘要：為了防止直流無刷電機驅動的執(zhí)行器因電機堵轉而損壞控制器，控制系統(tǒng)采用以LPC2132微處理器和電流采集等電路相結合的硬件保護方法，同時采用軟件進行智能判斷與處理。實現了電動執(zhí)行器在堵轉的狀態(tài)下的智能控制，保護了控制器。實驗結果表明：該系統(tǒng)具有可靠性高及智能處理堵轉等優(yōu)點。

關鍵詞：ARM；電動執(zhí)行器；堵轉保護；控制

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，電動執(zhí)行器能夠將將接收的控制信號轉換成輸出軸的位移從而控制閥門的位置。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行器采用交流電機來驅動，隨著現代電子技術和電機控制理論的快速發(fā)展，無刷直流電機因體積小，控制精度高以及效率高等優(yōu)點，得到廣泛的應用。目前已有采用無刷直流電機來驅動電動執(zhí)行器，由于這些設備的工作場合往往環(huán)境較惡劣，容易產生堵轉。由于電動機堵轉電流很大，時間過長會燒壞電動執(zhí)行機構的電動機和控制器。因此防堵轉是無刷直流電機驅動的執(zhí)行器的關鍵問題。

文中根據無刷直流電機的控制特點，采用ARM核的LPC2132和電流采集硬件保護電路來保護電機及控制器，同時采用軟硬件相結合的方法來使執(zhí)行器在啟動和運行等不同的狀態(tài)下對電流進行精確的控制，從而進行過流保護。結果表明，采用該方法后系統(tǒng)具有良好的防堵轉保護性能及動態(tài)響應性能，能智能化處理異常狀況。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用LPC2132芯片微處理單元來控制電動執(zhí)行器運行。通過各種參數的設置來控制定閥門的回差、速度和行程等。對于堵轉保護電路來說主要有電流采集模塊，限流保護模塊，驅動保護模塊等組成。系統(tǒng)通過直流電源來供電，一路供驅動電路，另一路經過降壓給控制系統(tǒng)供電。因為系統(tǒng)耗電主要是電機驅動電流，所以采集電機的相電流作為判斷處理的依據。是將電流信號變換為電壓信號，同時提供給驅動電路和微處理器。采集的電流信號與驅動信號相結合共同作為電機的驅動信號，同時微處理器通過獲得的電流數據來進行處理。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 硬件電路設計

系統(tǒng)堵轉保護電路主要有二部分組成：一是驅動電流采集電路：二是驅動電源保護控制電路。無刷直流電機常用6個場效應管通過換相導通來驅動，可以選擇電機驅動芯片如MC33035或分立元件組成的驅動電路。電流采集電路如圖2所示，驅動電流在R7上產生一個電壓信號VB，通過R5和C1濾波接入比較器LM2903的反相輸入端，5 V經過電阻R2和R3的分壓接入比較器的同相輸入端。當驅動電流超過設定的電流值時，比較器的輸出為低電平，PWM的信號變低，改變驅動信號的占空比，從而限制了電機的電流。由于電流采集采用了濾波電路，限制的是電流的平均值。用LPC2132的AD口來采集電壓，當超過設定值，關閉PWM信號延時100μs，否則打開PWM信號。

在圖3中，電源+24 V通過場效應管IRF4905管的開通來提供電機的驅動電源，Q2所起的作用是個開關。當B點的電壓超過設定的電流極限時，比較器U3輸出的是低電平，與門的輸出是低電平，Q1截止，場效應管IRF4905不導通，從而切斷電機的驅動電壓。在電機正常運轉中，如果電流沒有超過設定值，那么比較器U3輸出的是高電平，同時LPC2132的輸出PWM信號的占空比減小直至為高電平，Q1保持導通使得電源電壓全部加到驅動電路上。采用此部分電路主要是保護供電的開關電源，防止短路電流超過一定的值而導致電源打隔，同時也對電機驅動的尖鋒電流進行保護。

3 軟件設計

保護系統(tǒng)的主要軟件設計主要有：PWM初始化程序，堵轉判斷程序，電機驅動電流AD采集程序，堵轉后的處理程序等。由于系統(tǒng)需要多路PWM信號，所以利用LPC2132的I／O口的PWM資源來輸出多個信號。

下面的程序主要是堵轉的判斷與處理，例如，當輸入小于輸出時，運動之前程序首先進行堵轉的標志Error3的判斷，如果沒有堵，那么執(zhí)行器將向下運動。如果發(fā)生堵轉，Error3Count3進行計數，進入堵轉處理，反方向運動10％。當堵轉計數達4次，執(zhí)行器本身仍然堵，則停止運動。如果堵轉計數沒有達4次，而反方向運動10％后堵轉消除，則執(zhí)行器自動恢復正常，同時計數清零。

4 結束語

由于電動執(zhí)行器工作現場環(huán)境差，執(zhí)行器容易發(fā)生堵轉。特別是采用無刷直流電機來驅動，電機發(fā)生堵轉會產生很大的電流，類似與短路，在很短的時間內會燒毀控制器和電機。為了保護電機和控制器，控制器必須有堵轉保護電路。利用比較器將電機驅動電流的信號接入驅動電路，同時通過采集電流的值及電流峰值控制電路來控制供電電源，實現了過流保護，在軟件上采用智能化處理，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，增加了系統(tǒng)本身的可靠性。本文所設計的保護電路在發(fā)生堵轉后不會出現長時間有大電流通過無刷電機和控制器，從而損壞電動執(zhí)行機構，現已投入使用，工作可靠，性能穩(wěn)定。