基于智能型嵌入式电动执行机构控制器设计_乔磊.pdf

基于智能型嵌入式电动执行机构控制器设计乔 磊(扬州电力设备修造厂有限公司,江苏 扬州2 2 5 0 0 3)摘 要:设计了智能型嵌入式电动执行机构控制器。介绍了其系统方案设计,包括主控模块、电源模块、混合电机驱动模块、大数据诊断及存储模块、故障检测模块、智能显示屏模块等。嵌入式实时操作系统实现了电动执行机构控制器在高转速、大转矩工况下的稳定可靠运行,同时拓展了智能显示功能。关键词:电动执行机构;嵌入式;操作系统;智能显示中图分类号:TM 5 7 1 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 3 3D e s i g no f I n t e l l i g e n tE l e c t r i cA c t u a t o rC o n t r o l l e rB a s e do nE m b e d d e dS y s t e mQ I AOL e i(Y a n g z h o uE l e c t r i cP o w e rE q u i p m e n tM a n u f a c t u r eF a c t o r yC o.,L t d.,Y a n g z h o u2 2 5 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h e i n t e l l i g e n t e m b e d d e de l e c t r i ca c t u a t o rc o n t r o l l e r i sd e s i g n e d.T h es y s t e ms c h e m ed e s i g n i s i n t r o d u c e d,i n-c l u d i n gm a i nc o n t r o lm o d u l e,p o w e rs u p p l ym o d u l e,h y b r i dm o t o rd r i v em o d u l e,b i gd a t ad i a g n o s i sa n ds t o r a g em o d u l e,f a u l t d e t e c t i o nm o d u l e,i n t e l l i g e n t d i s p l a ym o d u l e,e t c.U s i n ge m b e d d e d r e a l-t i m e o p e r a t i n g s y s t e m,t h e c o n t r o l l e r o f e l e c-t r i ca c t u a t o r r u n ss t a b l ya n dr e l i a b l ya th i g hs p e e da n dh i g ht o r q u e,a n dt h e f u n c t i o no f i n t e l l i g e n td i s p l a y i se x p a n d e d.K e yw o r d s:e l e c t r i ca c t u a t o r;e m b e d d e d;o p e r a t i n gs y s t e m;i n t e l l i g e n td i s p l a y收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 60引言目前,国内电动执行机构还以单片机和黑白液晶显示屏为主,有的甚至没有显示屏,且应用形式单一、显示内容简单。随着微电子技术的发展,电动执行机构将进一步与微处理器、液晶显示屏技术融合,促使其智能化水平不断提高1。为了加速国产电动执行机构的升级换代,实现对进口电动执行机构的弯道超车2,本文设计了智能型嵌入式电动执行机构控制器。该控制器基于嵌入式系统平台设计开发3,引入操作系统和智能显示功能,可加强与客户间的交互,提高电动执行机构的使用体验。1系统方案设计智能型嵌入式电动执行机构控制器采用模块化设计,并兼顾了产品的未来物联网发展要求4,比如资产管理、故障预报警等功能5。智能型嵌入式电动执行机构控制器的硬件板件分为核心板、显示板、主控板、电源板、继电器板,如图1所示。同时对控制器的各功能模块进行整合,实现模块化设计,见表1。(1)主控制模块:包括开关量输入输出部分、模拟量输入输出部分、状态反馈部分、转矩控制部分、行程控制部分、数据存储和输出部分、故障诊断部分。(2)显示模块:包括全彩液晶显示屏部分、辅助MC U部分、按键部分、指示灯部分。图1控制器系统框图表1控制器组成说明表板件功能模块组成部分设计说明核心板核心MC U模块主MC U电路部分模块化设计,MC U升级时,只需重新设计核心板,主体结构无需变动主控板主控制模块42 0 mA的输入、42 0 mA的输出、远程控制、E E P R OM等模块输入状态检测,输出状态控制显示板显示模块辅助MC U、显示屏、按键、指示灯等模块提供图像化显示,多语言选择功能继电器板电机驱动模块电机控制、信号继电器兼顾交流接触器和固态继电器控制方式电源板电源模块A C3 8 0/2 2 0 V-D C2 4 V开关电源兼顾交流单相和交流三相供电方式 (3)电源模块:包括交流3 8 0V转直流2 4V部分、交流2 2 0V转直流2 4V部分。(4)电机驱动模块:包括电机控制部分、信号继电器部分。(5)传感器输入模块:包括力矩信号采集部分、行程数据采集部分。701电力设备 电工技术 (6)核心MC U模块:包括MC U及外围电路。2硬件原理设计2.1主MC U选择设计智能型嵌入式电动执行机构控制器为满足高转速、大转矩应用领域的信号采集及时响应需求,需要一颗强大的MC U作为主控 芯 片。S TM 3 2 F 4 2 9 I G T 6基 于A RM C o r-t e x-M 4架 构3 2b i t的MC U,2 5 5 DM I P S整 数 运 算 能 力(2 5.5亿次整数运算),频率高达1 8 0MH z,1MBF l a s h和(2 5 6+4)k BR AM,1.73.6V工作电压,其外设资源丰富,完全能满足智能型嵌入式电动执行机构控制器硬件控制需求。S TM 3 2 F 4 2 9 I G T 6外设资源丰富,对于智能型电动执行机构的基本功能来说,无需使用所有外设资源,但丰富的外设资源也为将来物联网连接提供了保障。智能型嵌入式电动 执 行 机 构 控 制 器 主 要 用 到 的 外 设 资 源 有2路UA R T、2路S P I、1路I I C、1路A D C、6 4个I/O口等。2.2供电电路设计智能型嵌入式电动执行机构控制器的供电模块分为A C-D C电路部分和D C-D C电路部分。其中,A C-D C电路将3 8 0V/2 2 0V的交流电转换为5V直流电,D C-D C电路将5V直流电转换为3.3V直流电,作为MC U供电电源。如图2所 示,D C-D C电 路 采 用 低 功 耗 线 性 稳 压 器T P S 7 6 9 3 3,其输入电压为5V,输出电压为3.3V,最大输出电流为1 0 0mA。MC U功耗电流为3 6mA,因此满足MC U供电需求。图2D C-D C供电电路原理图2.3大容量F l a s h存储电路设计智能型嵌入式电动执行机构控制器支持免开盖故障查询功能,具备在掉电的情况下保存关键数据的能力,因此控制器内置大容量非易失性的数据存储器,用于保存电动执行机构操作信息、故障代码、阀位、力矩等数据。如图3所示,数据存储电路采用F l a s h储存芯片W 2 5 Q 2 5 6 F V,其存储空间可达3 2 MB,通过标准串行外围接口(S P I)与MC U相连,进行数据的储存及读取。图3F l a s h存储电路原理图2.4显示模块电路设计智能型嵌入式电动执行机构控制器提供了图形化显示功能,在提供简洁易懂、清晰直观的状态信息的前提下,将阀位、力矩等关键参数进行流畅的画面或图形展示,如阀位图形、力矩曲线显示界面醒目,即使远距离观察,也能清晰可见,方便用户在现场直观、快速判断电动执行机构的运行状态。为实现上述要求,显示屏采用2.3寸T F T彩色 液 晶 屏,显 示 色 彩 为6 5 K/2 6 2 K,分 辨 率 为3 2 02 4 0,视角为1 2:0 0,亮度为3 5 0c d/m2,对比度为5 0 0,通过8位8 0 8 0接口与MC U相连,进行数据传输。高清晰度液晶全彩显示屏电路原理如图4所示。图4高清晰度液晶全彩显示屏电路原理图3软件设计目前,嵌入式实时操作系统已广泛应用于工业控制领域,但在电动执行机构领域仍处于起步阶段。电动执行机构采用嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 可 以 更 合 理、有 效 地 利 用MC U资源,简化应用软件的设计,保证实时性和可靠性。智能型嵌入式电动执行机构控制器采用U c o s-I I操作系统6,程序流程如图5所示。首先对U c o s-I I操作系统初始化,然后对电动执行机构的状态数据进行初始化,最后创建任务并进行多任务调度。U c o s-I I操作系统一大特点就是可以进行多任务调度,因此根据控制器的硬件功能模块划分,程序中也相应进行了软件功能任务划分,实现功能模块的软、硬件一一对应。软件功能任务主要分为显示板数据处理任务、编码器数据处理任务、菜单界面任务、电流源输出任务、电流源输入任务、状态检测任务、继电器输出任务等。(下转第1 2 2页)801电工技术 电力设备 充电,同时避免所有蓄电池不间断工作,从而减少蓄电池的总充放电次数和时长。为了避免蓄电池过充和过放,所提协调控制器通过下垂控制充放电,合理选择蓄电池的充电上限和放电下限,设置了过充和过放保护。此外,不同于传统小容量光储单元,所提协调控制器还对蓄电池的充电进行优化,采用恒流-恒压-浮充的三段式充电控制策略,使得蓄电池在光照强时能够快速充电,以提高光储单元的续航能力。本文还提出采用由各单位实时功率区分的不同的7种光伏运行状态和蓄电池充放电模式组合的协调切换控制方法,实现有光照时尽量由光伏电池直接为负荷供电,在光照充足时由蓄电池进行均衡快速充电,同时避免所有蓄电池不间断工作,从而减少蓄电池的总充放电次数和时长。最终,经实验验证了所设计控制器能够在不同模式下维持直流母线电压稳定,并能确保蓄电池在光照充足情况下进行均衡快速充电。参考文献1 应兴亮,廖建国.生态文明视角下高职“智慧林业”课程体系的建设探索J.现代农业研究,2 0 2 1,2 7(1 1):6 4-6 6.2 田晓晖,李国志,朱安明.森林资源动态监测信息化管理平台建设J.林业科技通讯,2 0 2 0(7):6 7-6 8.3 王永雄.林业基层管理中应用智慧林业技术的探索与实践J.林业科技情报,2 0 2 0,5 2(3):8 1-8 3.4 郭亚娟,韩冰,马林,等.独立户用光伏发电系统的设计与研究J.湖北农机化,2 0 2 0(8):1 4 2-1 4 3.5R.S a l l i n e n,T.M e s s o,T.R o i n i l a.M i t i g a t i n gv o l t a g ef l u c t u a t i o n si nb a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m sC.2 0 1 92 0 t h Wo r k s h o po n C o n t r o la n d M o d e l i n gf o r P o w e r E l e c t r o n i c s(C OM-P E L),T o r o n t o,ON,C a n a d a,2 0 1 9.6 张良,闫凯宏,冷祥彪,等.考虑S O C自均衡的直流微电网协调控制策略研究J.吉林电力,2 0 2 1,4 9(5):2 1-2 5.7L.L o n g.R e s e a r c ho fe n e r g ys t o r a g ed e v i c e sa n dp o w e rc o o r-d i n a t e dc o n t r o l s t r a t e g yo fm i c r og r i dw i t hp h o t o-v o l t a i cc o n-n e c t e dC.2 0 1 6C h i n a I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nE l e c t r i c i-t yD i s t r i b u t i o n(C I C E D),X i a n,2 0 1 6.8 康家玉,陈 馨儿,史晨 雨.基 于 储 能 荷 电 状 态 分 级 的 直 流微电 网 协 调 控 制 方 法 J.热 力 发 电,2 0 2 2,5 1(5):1 2 7-1 3 5.9 周建萍,朱建萍,崔屹,等.光储独立直流微电网的协同控制策略研究J.电源技术,2 0 1 6,4 0(1 2):2 4 0 0-2 4 0 4.1 0 王国军,邵 天章.光伏 发 电 系 统 蓄 电 池 充 放 电 均 衡 控 制仿真研究J.电气应用,2 0 1 8,3 7(1 1):2 8-3 4.1 1 丰俊杰.基于储能寿命评估模型的分布式储能优化配置研究D.杭州:杭州电子科技大学,2 0 2 1.1 2 陈金锋,贾 科,宣 振文,等.基 于 离 散 一 致 性 算 法 的 直 流微电网电压控制策略J.浙江电力,2 0 1 9,3 8(8):6 5-7 1.1 3 李靖,王志和,倪浩.基于改进下垂控制的直流微网运行研究J.发电技术,2 0 2 1,4 2(6):7 6 5-7 7 4.1 4 郑丽君,王 子鹏,吕世 轩,等.基 于 荷 电 状 态 的 直 流 微 电网中多储能分 级 运 行 控 制 方 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