基于無刷直流電機(jī)的執(zhí)行器防堵轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了防止直流無刷電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行器因電機(jī)堵轉(zhuǎn)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(jié)合的硬件保護(hù)方法，同時采用軟件進(jìn)行智能判斷與處理。實(shí)現(xiàn)了電動執(zhí)行器在堵轉(zhuǎn)的狀態(tài)下的智能控制，保護(hù)了控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有可靠性高及智能處理堵轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ARM；電動執(zhí)行器；堵轉(zhuǎn)保護(hù)；控制

在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，電動執(zhí)行器能夠?qū)⒔邮盏目刂菩盘栟D(zhuǎn)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(jī)來驅(qū)動，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和電機(jī)控制理論的快速發(fā)展，無刷直流電機(jī)因體積小，控制精度高以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。目前已有采用無刷直流電機(jī)來驅(qū)動電動執(zhí)行器，由于這些設(shè)備的工作場合往往環(huán)境較惡劣，容易產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。由于電動機(jī)堵轉(zhuǎn)電流很大，時間過長會燒壞電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動機(jī)和控制器。因此防堵轉(zhuǎn)是無刷直流電機(jī)驅(qū)動的執(zhí)行器的關(guān)鍵問題。

文中根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制特點(diǎn)，采用ARM核的LPC2132和電流采集硬件保護(hù)電路來保護(hù)電機(jī)及控制器，同時采用軟硬件相結(jié)合的方法來使執(zhí)行器在啟動和運(yùn)行等不同的狀態(tài)下對電流進(jìn)行精確的控制，從而進(jìn)行過流保護(hù)。結(jié)果表明，采用該方法后系統(tǒng)具有良好的防堵轉(zhuǎn)保護(hù)性能及動態(tài)響應(yīng)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(yùn)行。通過各種參數(shù)的設(shè)置來控制定閥門的回差、速度和行程等。對于堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路來說主要有電流采集模塊，限流保護(hù)模塊，驅(qū)動保護(hù)模塊等組成。系統(tǒng)通過直流電源來供電，一路供驅(qū)動電路，另一路經(jīng)過降壓給控制系統(tǒng)供電。因?yàn)橄到y(tǒng)耗電主要是電機(jī)驅(qū)動電流，所以采集電機(jī)的相電流作為判斷處理的依據(jù)。是將電流信號變換為電壓信號，同時提供給驅(qū)動電路和微處理器。采集的電流信號與驅(qū)動信號相結(jié)合共同作為電機(jī)的驅(qū)動信號，同時微處理器通過獲得的電流數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路主要有二部分組成：一是驅(qū)動電流采集電路：二是驅(qū)動電源保護(hù)控制電路。無刷直流電機(jī)常用6個場效應(yīng)管通過換相導(dǎo)通來驅(qū)動，可以選擇電機(jī)驅(qū)動芯片如MC33035或分立元件組成的驅(qū)動電路。電流采集電路如圖2所示，驅(qū)動電流在R7上產(chǎn)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(jīng)過電阻R2和R3的分壓接入比較器的同相輸入端。當(dāng)驅(qū)動電流超過設(shè)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(qū)動信號的占空比，從而限制了電機(jī)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(dāng)超過設(shè)定值，關(guān)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(yīng)管IRF4905管的開通來提供電機(jī)的驅(qū)動電源，Q2所起的作用是個開關(guān)。當(dāng)B點(diǎn)的電壓超過設(shè)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(yīng)管IRF4905不導(dǎo)通，從而切斷電機(jī)的驅(qū)動電壓。在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果電流沒有超過設(shè)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(dǎo)通使得電源電壓全部加到驅(qū)動電路上。采用此部分電路主要是保護(hù)供電的開關(guān)電源，防止短路電流超過一定的值而導(dǎo)致電源打隔，同時也對電機(jī)驅(qū)動的尖鋒電流進(jìn)行保護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計(jì)主要有：PWM初始化程序，堵轉(zhuǎn)判斷程序，電機(jī)驅(qū)動電流AD采集程序，堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的判斷與處理，例如，當(dāng)輸入小于輸出時，運(yùn)動之前程序首先進(jìn)行堵轉(zhuǎn)的標(biāo)志Error3的判斷，如果沒有堵，那么執(zhí)行器將向下運(yùn)動。如果發(fā)生堵轉(zhuǎn)，Error3Count3進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)入堵轉(zhuǎn)處理，反方向運(yùn)動10％。當(dāng)堵轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)達(dá)4次，執(zhí)行器本身仍然堵，則停止運(yùn)動。如果堵轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)沒有達(dá)4次，而反方向運(yùn)動10％后堵轉(zhuǎn)消除，則執(zhí)行器自動恢復(fù)正常，同時計(jì)數(shù)清零。

4 結(jié)束語

由于電動執(zhí)行器工作現(xiàn)場環(huán)境差，執(zhí)行器容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)。特別是采用無刷直流電機(jī)來驅(qū)動，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)會產(chǎn)生很大的電流，類似與短路，在很短的時間內(nèi)會燒毀控制器和電機(jī)。為了保護(hù)電機(jī)和控制器，控制器必須有堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路。利用比較器將電機(jī)驅(qū)動電流的信號接入驅(qū)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(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)，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(shè)計(jì)的保護(hù)電路在發(fā)生堵轉(zhuǎn)后不會出現(xiàn)長時間有大電流通過無刷電機(jī)和控制器，從而損壞電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)已投入使用，工作可靠，性能穩(wěn)定。