基于开关磁阻电机的阀门电动执行机构控制系统设计

摘要

在工业发达和科技进步如此迅速的今天，阀门电动执行机构的应用领域越发广泛，对其安全稳定的要求也不断提高。为使其在核电站高温和强辐射条件下稳定高效地工作，研发智能化、网络化、模块化以及具备故障保护和远程控制的新型阀门电动执行机构具有十分重要的现实意义。本课题来源于江苏省科技支撑项目一核电站用高可靠开关磁阻调速型阀门电动执行机构研制(项目编号BE2012136)，根据项目的要求本文研制了基于12/8结构开关磁阻电机的阀门电动执行机构控制系统。该系统在以CPLD作为辅助芯片的同时采用TMS320F28335型DSP作为控制器的核心，在保证系统安全可靠的基础上大大提高了其控制的精确度，以便更好地实现系统中阀门力矩控制、开关磁阻电机稳速、系统故障诊断、与上位机通讯等功能。本文主要研究内容如下:
　　首先简述了阀门电动执行机构的工作原理，对其中作为执行电机的开关磁阻电机进行了理论研究，并对阀门电动执行机构控制系统进行了整体设计，通过采用CCC电流斩波控制和APC角度位置控制对开关磁阻电机调速系统进行控制以带动阀门运行。
　　其次围绕开关磁阻电机对阀门电动执行机构控制系统进行了控制器、功率变换器、电流检测和位置检测等硬件方面的设计。为了提高位置检测的精确性，对普通光电式位置检测进行了误差分析，并设计了一种齿略宽于齿槽的遮光码盘。
　　然后在硬件实现的基础上对控制系统进行软件设计，确定整套系统控制策略，对CPLD和DSP进行程序编写以实现开关磁阻电机调速系统的电流斩波控制和角度位置控制，并通过仿真对角度位置控制的开通角和关断角进行优化使电机出力最大。
　　最后根据系统硬件和软件的设计搭建实验调试平台，在得到精确位置信号的基础上对电机低速运行和高速运行进行了调速实验，并利用模拟阀门开度记录电机转速的调试方法，得到了阀门开度与电机转速的关系。实验结果表明本文设计的阀门电动执行机构控制系统控制精确，运行稳定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 阀门电动执行机构的研究现状及趋势

1．3 阀门电动执行机构用开关磁阻电机调速的优势及特点

1．4 本文主要工作及研究内容

第二章 基于SRM的阀门电动执行机构控制系统设计

2．1 阀门电动执行机构的工作原理

2．2 SRM驱动系统的工作原理

2．2．1 开关磁阻电机的基本构造和工作原理

2．2．2 开关磁阻电机的数学模型

2．2．3 开关磁阻电机的控制方式

2．2．4 开关磁阻电机的机械特性

2．3 基于SRM的整套控制系统设计

2．4 小结

第三章 阀门电动执行机构控制系统的硬件设计

3．1 控制系统硬件总体构成

3．2 控制器设计

3．2．1 DSP芯片设计

3．2．2 CPLD芯片设计

3．2．3 通讯电路设计

3．3 功率变换器设计

3．3．1 功率变换器拓扑结构选择

3．3．2 功率变换器开关器件的选择

3．4 检测电路设计

3．4．1 电流检测电路设计

3．4．2 位置检测电路设计

3．5 小结

第四章 控制系统中位置检测遮光码盘的设计

4．1 位置检测存在的误差

4．2 位置检测存在误差对电机控制的影响

4．3 位置检测中遮光码盘的设计

4．4 小结

第五章 阀门电动执行机构控制系统的软件设计及优化

5．1 控制系统的控制策略

5．1．1 开关磁阻电机的控制策略

5．1．2 阀门电动执行机构的控制策略

5．2 CPLD程序设计

5．3 DSP程序设计

5．3．1 系统初始化程序

5．3．2 通讯程序

5．3．3 电机实际转速计算程序

5．3．4 PID稳速程序

5．3．5 驱动信号提前开通关断控制程序

5．4 开通角和关断角的优化

5．4．1 电感变化、相电流、开关角三者的关系

5．4．2 开通角与相电流的关系

5．4．3 关断角与相电流的关系

5．4．4 开通角与关断角的优化结果

5．5 小结

第六章 系统实验调试

6．1 实验平台

6．2 实验调试

6．2．1 位置信号调试

6．2．2 电机速度调试

6．2．3 阀门阀位模拟调试

6．3 小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与科研项目与已录用学术论文