随着电子电路以及大规模集成电路的开发与应用，各种高性能的电子器件和微处理器为智能电动执行机构开发研究奠定了基础。本文执行器的控制器由TI公司生产的TMS320F2812及其外围电路组成，以微型消息总线（MMB）为软件的嵌入式系统。控制器的基本功能是：实现现场数据的实时采集，采集调节阀的状态信息、电压电流、电机温度、输出力矩等，并加以分析、判断，控制电机正常准确运行；可以实现智能校准；只要在阀门的实际的全开和全关位置各按一次键即可；液晶实时显示电动阀门的开度及系统的工作状况和故障；通过CAN总线保持与控制中心的通信或者现场仪表之间的通信。
一、硬件环境
1、执行器的系统结构
本系统设计的电动执行器由驱动控制器、三相异步电机和机械传动执行机构三部分组成。其中驱动控制器以TMS320F2812DSP控制芯片为微控制器；电机采用三相异步电动机，采用SVM-DTC（空间矢量调制技术-直接转矩控制）控制算法的交流变频器，控制电机的精确运行，输出适当的转矩控制执行器的动作。图1为电动执行器的系统结构。
图1 电动执行器的系统结构
电源逆变电路采用智能功率模块（IPM）。IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内置有过电压、欠电压、过电流、过热等故障监测电路，并可将监测信号送往DSP进行处理，是一种高性能的功率开关器件。
2、控制器的设计
本文选用TI公司的带有CAN总线接口的32位嵌入式DSP控制芯片TMS320F2812作为控制器核心，内部软件包括实时嵌入式多任务操作系统、构件库、以及以构件装配序列形式存在的应用软件。TMS320F2812是一款高性能、低功耗的32位定点数字DSP芯片，它具有精简指令集计算（RISC）功能、微控制器结构、固件、工具装置及高度的运行速度和广泛的适用性，从而可以实现现场数据的采集、分析计算和控制显示功能。并且，采用了由实时多任务操作系统、实时监控软件、任务级组态软件、实时数据库等构成的现场智能测控仪表软件集成技术，支持在线组态，很适合用于工业现场控制和总线系统。
3、CAN通信
本系统采用TMS320F2812DSP信号处理器做为现场智能单元的微处理器，并利用了其中eCAN模块作为CAN控制器，eCAN模块是TI公司新一代产品DSP芯片TM320F28x的32位高级CAN控制器，是基于TI公司TMS470系列微控制器使用的高端CAN控制器（HECC，High-end CAN Controller）发展而来的。它完全兼容CAN2.0B协议，能在有干扰的环境里使用上述协议，能与其他控制器串行通信，是一种具有通用性和鲁棒性的串行通信接口，因此可以实现电动执行器与上位机或者现场其他设备的实时通信，增加了现场设备的实时性和可靠性。
4、保护功能
在执行器运行的过程中，DSP芯片连续监视电动机的电流电压，并根据所测的电压电流值计算执行机构的力矩，当出现过电压、过电流及过力矩的时候，DSP控制器就会发出控制信号，切断电动机电源同时发出报警信号。电动机绕组中的温度传感器连续检测电动机的实际温度，可实现温度报警和过热保护。在阀门卡住的情况下保护功能还可以避免电动机被烧坏，倘若发现一定时间内不动作，控制器便会切断电源并报警。此外，当发生控制信号断路等紧急情况时，执行机构便会以预先设定的紧急速度运行到紧急状态位置，紧急状态位置用户可以根据具体情况选择，如全开、全关及保位等选项。
执行机构具有掉电保护功能。运行当中电源中断，RAM中的数据丢失。为将掉电造成的数据丢失的影响降到最低，执行机构每隔一定时间向EEPROM中写入系统运行参数，使得参数不一致的时间间隔非常小。
二、软件设计
1、微型消息总线（MicroMessageBus）
MMB（微型消息总线）是一种基于CAN总线开发的分布式现场总线控制系统。它将软件构件技术应用于实时嵌入式系统，使系统具有很好的剪裁性，即用户可以根据特定的需求，选择系统提供的构件，从而灵活实现自己的系统。MMB软件系统的功能是通过对应于软件需求的消息序列发布和相应构件的响应所提供的服务来完成的。
MMB集成开发环境（MMBIDE）是MMB针对应用系统开发者的需要而开发的一种进行构件装配和测试的软件，它为用户提供了项目前期组态编辑、编译、下载，以及后期组态调试的软件平台。操作人员根据工程实际要求现场进行构件装配（即组态），通过集成开发环境用户工具栏中外挂的INVA虚拟机编译成智能仪表可以识别的机器代码，再使用用户工具栏中外挂的组态下载和参数下载程序通过OPC服务器下载到智能仪表中，使智能仪表可以实现各种控制功能，现场装置中运行的组态，可以通过MMBI DE进行调试。
2、程序总体结构
为了提高程序的可靠性和可理解性，便于编写、调试、修改和增删，采用模块化设计思想，即将程序设计成相对独立的子程序，这样有利于程序的移植和修改。分成通信、控制和管理3部分。其中通信程序完成软件协议规范所规定的具体任务。采用通信程序对事件状态的轮询和CAN中断相结合来实现设计。电动执行器要传送的数据有阀门的实际开度和各种参数、故障报警时的数据等，在上位机向电动执行器发出请求数据要求且电动执行器收到数据时，电动执行器将现场采集的数据打包发送给上位机。当现场出现故障时，电动执行器则不等上位计算机发出请求数据要求，就将故障数据发送。电动执行器可以接收来自上位机的控制信息，进行相应的动作。
控制任务是对过程变量进行采样，数据处理以及根据可能的算法和控制方式进行计算和输出等。由于电动机的惯性、位反信号的滞后等原因，在控制算法中采用了本课题组自行研发的SVM-DTC控制算法来实现对电机转速较为精确的控制。智能变频电动执行器在调节过程中，伺服电机运行速度是变化的。在输入信号和位置反馈信号偏差较大时，电机运行速度比普通电动执行器快，加速调节作用。但随着输入信号和位置反馈偏差信号减小时，伺服电机运行速度会变慢，执行器的运行速度也会随之下降。越接近平衡点伺服电机运行速度会越慢。在平衡点附近执行器会一点点打开和关闭，其结果是大大提高了执行器的微调作用和定位精度。
管理程序部分包括LCD显示，管理工作方式，报警灯指示，处理用户按键的扫描和响应，对系统的掉电保护，执行中断服务子程序和对系统自身的自诊断过程。图2为程序组态原理图。
图2 程序组态原理图
3、驱动任务的组态设计
本文三相电机的控制是基于实验室自行开发的MMB现场总线控制系统来完成的，采用系统组态的方法，用SVM-DTC控制算法，实现电机的精确控制，实现了电动机的柔性起停功能，可以有效的减少起停对阀门的机械冲击，最大限度的保护阀门。图3为驱动任务组态流程图。
图3 驱动任务组态流程图
4、控制任务的组态设计
控制任务的设计是整个电机驱动中的一部分，是将电机的转矩、磁链、转速测量出来，经过转矩、磁链比较器，用砰-砰控制方法输出开关信号，控制逆变器的开关状态，实现对电机的变频控制。图4为控制任务组态流程图。
图4 控制任务组态流程图
三、结论
以DSP为控制核心的CAN总线智能电动执行器，采用三相异步电动机作为伺服电机，以TMS320F2812 DSP为控制器，简化了硬件电路设计，提高了运算速度；具有高智能化和高精度的系统控制功能，控制更加准确；先进的通信功能，可以通过现场总线和上位机通信，使得远程维护和管理成为可能；更加完善的自身保护和系统保护功能；具有智能化的自诊断功能，以帮助快速识别故障原因，具有广阔的应用前景和发展空间。
参考资料
王晓明.电动机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.
袁爱进.MMB软件体系结构[Z].大连：大连三合仪表，2004.
