基于直接转矩控制的电动执行机构设计

论文摘要

在石油化工等工业过程控制领域,越来越多的采用电动执行机构系统。新一代电动执行机构对于阀门速度调节,阀门开度调节以及远程控制方案的实现更为重视。上述功能的有无和性能的高低,直接关系到工业过程控制系统中管道中流体或气体的流量和压力等问题。如不能有效控制管道中流量和压力等参数,可能会导致严重的生产事故。工业过程控制中使用的传统电动执行机构存在如系统可靠性低,泛用型差,性能不高等问题,已经无法满足上述控制的要求。因此,本课题拟实现一种具有高性能的电动执行机构。本文主要研究电动执行机构中阀门电机的位置控制方法和速度控制方法,以及电动执行机构远程控制方法。主要包含以下几个方面:第一,利用直接转矩控制原理,结合异步电机模型和逆变器模型,通过设计定子磁链观测器,实现对定子磁链的估算。采用对阀门电机定子磁链和电磁转矩分别进行滞环控制的方法,调节电动执行机构中阀门电机速度,实现速度控制。第二,采用结合PID控制理论与神经网络的位置控制算法,使用位置传感器,实现PID参数自学习、自适应的电动执行机构位置闭环。通过系统自整定PID参数,使电机适应负载变化,精确控制阀门位置。第三,依据Modbus总线协议,为电动执行机构加装总线模块。通过设计总线模块的软硬件系统,建立多电动执行机构总线控制系统,从而实现对电动执行机构的远程控制。第四,采用Microchip公司dsPIC30F4011芯片和PIC24FJ256GA106芯片为核心构建系统硬件控制电路,实现基于直接转矩控制原理,且具有总线通讯功能的电动执行机构。本文结合电机驱动技术、PID控制理论和总线控制系统在电动执行机构上的具体应用,进行综合设计。通过设计电动执行机构软件系统和硬件系统,制作相关实验装置,实现上述各项技术原理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 电动执行机构国内外发展现状
• 1.3 电动执行机构控制方案
• 1.3.1 速度控制
• 1.3.2 位置控制
• 1.3.3 远程控制
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 电动执行机构速度控制
• 2.1 引言
• 2.2 异步电机DTC控制的基本原理
• 2.2.1 DTC系统结构
• 2.2.2 异步电机数学建模
• 2.2.3 逆变器数学建模
• 2.2.4 DTC控制基本原理
• 2.3 定子磁链观测
• 2.3.1 u-i磁链观测器设计
• 2.3.2 i-n磁链观测器设计
• 2.3.3 u-i-n磁链观测器设计
• 2.4 速度控制环节设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 电动执行机构位置控制
• 3.1 引言
• 3.2 电动执行机构位置控制原理
• 3.3 PID神经网络
• 3.3.1 神经元网络
• 3.3.2 PID神经网络实现
• 3.3.3 位置控制环节设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 电动执行机构远程控制
• 4.1 引言
• 4.2 Modbus通讯协议
• 4.2.1 Modbus 协议选择
• 4.2.2 Modbus 协议构成
• 4.3 电动执行器远程控制的实现
• 4.3.1 FCS控制器设计
• 4.3.2 总线模块硬件设计
• 4.3.3 总线模块软件设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统软硬件设计与实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 系统硬件平台结构
• 5.2.1 系统电源设计
• 5.2.2 A/D转换电路设计
• 5.2.3 IPM电路设计
• 5.2.4 掉电保护电路设计
• 5.3 系统程序设计
• 5.3.1 位置控制流程
• 5.3.2 速度控制流程
• 5.3.3 总线通讯流程
• 5.4 系统实验验证
• 5.4.1 转速实验
• 5.4.2 位置实验
• 5.4.3 远程控制实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢