基于無(wú)刷直流電機的執行器防堵轉系統的設計

摘要：為了防止直流無(wú)刷電機驅動(dòng)的執行器因電機堵轉而損壞控制器，控制系統采用以L(fǎng)PC2132微處理器和電流采集等電路相結合的硬件保護方法，同時(shí)采用軟件進(jìn)行智能判斷與處理。實(shí)現了電動(dòng)執行器在堵轉的狀態(tài)下的智能控制，保護了控制器。實(shí)驗結果表明：該系統具有可靠性高及智能處理堵轉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：ARM；電動(dòng)執行器；堵轉保護；控制

在工業(yè)過(guò)程控制系統中，電動(dòng)執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(mén)的位置。傳統的電動(dòng)執行器采用交流電機來(lái)驅動(dòng)，隨著(zhù)現代電子技術(shù)和電機控制理論的快速發(fā)展，無(wú)刷直流電機因體積小，控制精度高以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應用。目前已有采用無(wú)刷直流電機來(lái)驅動(dòng)電動(dòng)執行器，由于這些設備的工作場(chǎng)合往往環(huán)境較惡劣，容易產(chǎn)生堵轉。由于電動(dòng)機堵轉電流很大，時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )燒壞電動(dòng)執行機構的電動(dòng)機和控制器。因此防堵轉是無(wú)刷直流電機驅動(dòng)的執行器的關(guān)鍵問(wèn)題。

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

1 系統工作原理

系統采用LPC2132芯片微處理單元來(lái)控制電動(dòng)執行器運行。通過(guò)各種參數的設置來(lái)控制定閥門(mén)的回差、速度和行程等。對于堵轉保護電路來(lái)說(shuō)主要有電流采集模塊，限流保護模塊，驅動(dòng)保護模塊等組成。系統通過(guò)直流電源來(lái)供電，一路供驅動(dòng)電路，另一路經(jīng)過(guò)降壓給控制系統供電。因為系統耗電主要是電機驅動(dòng)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(shí)提供給驅動(dòng)電路和微處理器。采集的電流信號與驅動(dòng)信號相結合共同作為電機的驅動(dòng)信號，同時(shí)微處理器通過(guò)獲得的電流數據來(lái)進(jìn)行處理。系統原理如圖1所示。

2 硬件電路設計

系統堵轉保護電路主要有二部分組成：一是驅動(dòng)電流采集電路：二是驅動(dòng)電源保護控制電路。無(wú)刷直流電機常用6個(gè)場(chǎng)效應管通過(guò)換相導通來(lái)驅動(dòng)，可以選擇電機驅動(dòng)芯片如MC33035或分立元件組成的驅動(dòng)電路。電流采集電路如圖2所示，驅動(dòng)電流在R7上產(chǎn)生一個(gè)電壓信號VB，通過(guò)R5和C1濾波接入比較器LM2903的反相輸入端，5 V經(jīng)過(guò)電阻R2和R3的分壓接入比較器的同相輸入端。當驅動(dòng)電流超過(guò)設定的電流值時(shí)，比較器的輸出為低電平，PWM的信號變低，改變驅動(dòng)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(lái)采集電壓，當超過(guò)設定值，關(guān)閉PWM信號延時(shí)100μs，否則打開(kāi)PWM信號。

在圖3中，電源+24 V通過(guò)場(chǎng)效應管IRF4905管的開(kāi)通來(lái)提供電機的驅動(dòng)電源，Q2所起的作用是個(gè)開(kāi)關(guān)。當B點(diǎn)的電壓超過(guò)設定的電流極限時(shí)，比較器U3輸出的是低電平，與門(mén)的輸出是低電平，Q1截止，場(chǎng)效應管IRF4905不導通，從而切斷電機的驅動(dòng)電壓。在電機正常運轉中，如果電流沒(méi)有超過(guò)設定值，那么比較器U3輸出的是高電平，同時(shí)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(dòng)電路上。采用此部分電路主要是保護供電的開(kāi)關(guān)電源，防止短路電流超過(guò)一定的值而導致電源打隔，同時(shí)也對電機驅動(dòng)的尖鋒電流進(jìn)行保護。