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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 机电一体化智能大流量电动执行机构【论文摘要】提出一种新型电动执行机构的设计方案,具体介绍了该执行机构各功能元件的选型与设 计、阀位及速度掌握原理以及各种关键问题的解决方法；该执行机构将阀门、伺服电机、掌握器合为一 体,采纳 8031 单片机、变频技术实现了阀门的动作速度和位置掌握,解决了阀门的精确定位、阀门柔 性开关、极限位置判定、电机爱护及模拟信号隔离等技术问题；现场运行情形说明,该电动执行机构具 有动作快、爱护完善以及便于和运算机通讯等优点；1 引言在现代化生产过程掌握中,执行机构起着非常重要的作用,它是自动掌握系统中不行缺少的组成部分；现
2、有的国产大流量电动执行机构存在着掌握手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、牢靠 性差等问题；而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比,一 旦出厂,这一速度固定不行调整,其通用性较弱；整个机构缺乏完善的爱护和故障诊断措施以及必要的 通信手段,系统的安全性较差,不便与运算机联网；鉴于以上缘由,采纳传统的大流量电动执行机构的 掌握系统,牢靠性和稳固性较差；随着运算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用,这种执行机 构已远远不能满意工业生产的要求；笔者设计的大流量电动执行机构,采纳机电一体化技术,将阀门、伺服电机、掌握器合为一体,利用异步电动机直接驱动阀门
3、的开与关；通过内置变频器,采纳模糊神经 网络,实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等掌握；该电动执行机构省去了用于控 制电机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的掌握柜和配电柜,具有 动作快、爱护较完善、便于和运算机联网等优点；实际运行说明,该执行机构工作稳固,性能牢靠；2 电动执行机构的硬件设计及工作原理电动执行机构掌握系统原理框图如图 分；2-1 所示；智能执行机构从结构上主要分为掌握部分和执行驱动部掌握部分主要由单片机、PWM 波发生器、 IPM 逆变器、 A/D 、 D/A 转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成；执行驱动部分
4、主要包括三相伺报电机和位置传感器；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 系统工作原理：霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号,经 A/D转换后送入单片机；单片机通过 8255 掌握 PWM 波发生器,产生的 PWM 波经光电耦合作用于逆变模块 IPM ,实现电机的变频调速以及阀位掌握；逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对 380V 电源进行全桥整流得到；掌握系统各功能元件的选型与设计：1单片机 选用 INTEL 公司生产的 8031 单片机,它主要通过并行 8255
5、口担负掌握系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号,并供应三相 PWM 波发生器所需要的掌握信号；处理 IPM 发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；供应显示电动执行机构的工作状态信号；执行掌握系统来的掌握信号,向掌握系统反馈信号；2三相 PWM 波发生器 PWM 波的产生通常有模拟和数字两种方法；模拟法电路复杂,有温漂现象,精度低,限制了系统的性能；数字法是依据不同的数字模型用运算机算出各切换点,并存入内存,然后通过查表及必要的运算产生 PWM 波,这种方法占用的内存较大,不能保证系统的精度；为了满意智能功率模块所需要的 PW
6、M 波掌握信号,保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、爱护、掌握等功能,文中选用 MITEL 公司生产的 SA8282 作为三相 PWM 发生器； SA8282 是专用大规模集成电路,具有独立的标准微处理器接口,芯片内部包含了波形、频率、幅值等掌握信息；名师归纳总结 3智能逆变模块IPM为了满意执行机构体积小,牢靠性高的要求,电机电源采纳智能功率模块IPM ；第 2 页,共 7 页该执行机构主要适用功率小于5 5kW 的三相异步电机,其额定电压为380V ,功率因数为075 ；经运算可知,选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满意系统要求；该功率模块集功率开关和驱- - - -
7、 - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 动电路、制动电路于一体,并内置过电流、短路、欠电压和过热爱护以及报警输出,是一种高性能的功率开关器件；4位置检测电路 位置检测电路是执行机构的重要组成部分,它的功能是供应精确的位置信号；关键问题是位置传感器的选型；在传统的电动执行机构中多采纳绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等；绕线电位器寿命短被剔除；差动变压器由于线性区太短和温度特性不抱负而受到限制；导电塑料电位器目前较为流行,但它是有触点的,寿命也不行能很长,精度也不高；笔者采纳的位置传感器为脉冲数字式传感器,这种传感器是无触点的,且具有精度高、无线性区限制、稳固性高、无温
8、度限制等特点；5电压、电流及检测 检测电压、电流主要是为了运算电机的力矩,以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断；由于变频器输出的电流和电压的频率范畴为 050Hz ,采纳常规的电流、电压互感器无法满意要求；为了快速反映出电流的大小,采纳霍尔型电流互感器检测 IPM 输出的三相电流,对于 IPM 输出电压的检测采纳分压电路；如图 2-2 所示；6通讯接口 为了实现运算机联网和远程掌握,选用 MAX232 作为系统的串行通讯接口,MAX232 内部有两个完全相同的电平转换电路,可以把 8031 串行口输出的 TTL 电平转换为 RS 232 标准电平,把其它微机送来的 RS 232
9、标准电平转换成 TTL 电平给 8031 ,实现单片机与其它微机间的通讯；7时钟电路 时钟电路主要用来供应采样与掌握周期、速度运算时所需要的时间以及日历；文中选用时钟电路 DS12887 ； DS12887 内部有 114 字节的用户非易失性 RAM ,可用来存入需长期储存的数据；8液晶显示单元 为了实现人机对话功能,选用 MGLS12832 液晶显示模块组成显示电路；采纳组态显示方式；通过菜单挑选,可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试；并采用文字和图形相结合的方式,显示直观、清楚；名师归纳总结 9程序出格自复原电路为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地复原正常,
10、选用MAX705 组成第 3 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 程序出格自复原电路,监视程序运行；如图2-3 所示,该电路由MAX705 、与非门及微分电路组成；工作原理为：一旦程序出格,WDO 由高变低,由于微分电路的作用,由“与非 ”门输入引脚2 变为高电平,引脚 2 电平的这种变化使“与非 ”门输出一个正脉冲,使单片机产生一次复位,复位终止后,又由程序通过 P1 0 口向 MAX705 的 WDI 引脚发正脉冲,使 WDO 引脚回到高电平,程序出格自复原电路继续监视程序运行；3 阀位及速度掌握原理阀位及速度掌握原理框图如图 3-1
11、所示；采纳双环掌握方案,其中内环为速度环,外环为位置环；速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较,通过速度调剂器转变 PWM 波发生器载波频率,实现电机的转速调剂；速度调剂器采纳模糊神经网络掌握算法 具体内容另文表达 ；外环主要依据当前位置速度的设定,通过速度给定发生器向内环供应速度的设定值；由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段；各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开头匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关；速度给定发生器的工作原理为：通过比较实际阀位与给定阀位,当二者不相等时,以恒定加速度加速,减速点依据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小运
12、算得来；执行机构各阶段运行速度的运算原理名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3-2 为执行机构的典型运行速度图,它由如干段变化速率不同的折线组成；将曲线上速率开头发生转变的那一点称为起始段点,相应的时间称为段起始时间,如图 3-2 中的 tii 0, 1, 2, ,相应的速度称为段起始速度,如图 3-2 所示 vii 0, 1, 2, ；设第 i 段速度的变化速率为 ki,就有：式中： v为两段点之间的速度变化值, vvi 1 vi； t为两段之间的时间, tti1ti；明显,当 ki0 时为恒速段, ki 0 时
13、为升速段, ki 0 时为减速段；任意时刻的速度给定值为：Ts 为采样周期；变化速率 ki 的取值由给定位置、当前位置以及运行速度的大小确定；4 关键技术问题的解决该电动执行机构采纳了最新的变频调速技术,电机驱动功率小于 性,依据掌握的阀设定速度,速度分多转式、直行程、角行程55kW ；用户可依据需要设定力矩特 3 种方式；掌握系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统,掌握特性视运行方式、速度而定,并具有自动过流爱护、过载爱护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等爱护功能；该执行机构解决的关键性技术问题主要有：1阀门柔性开关 柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时,保证阀门不卡死与损耗；执行机构内部的
14、微处 理器依据测得的变频器输出电压和电流,通过精确运算,得出其输出力矩；一旦输出力矩达到或大于设定名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的力矩,自动降低速度,以防止阀门内部过度的撞击,从而达到最优关闭,实现过力矩爱护；2阀位的极限位置判定 阀位的极限位置是指全开和全关位置；在传统执行机构中,该位置的检测是通过机械式限位开关获得的；机械式限位开关精度低,在运行中易松动,牢靠性差；在文中,电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得；其原理是,单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较,假如未发生变化或变化较小,即认
15、为己达到极限位置,立刻切断异步电机的供电电源,保证阀门的安全关闭或全开；省去了机械式限位开关,无需在调试时对其进行复杂的调整；3电机爱护的实现 为了防止电机因过热而烧毁,单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度,假如温度传感器检测到电机温度过高,自动切断供电电源；温度传感器内置于电机内部；4精确定位 传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度,当接近停止位置时,电机断电后,由于机械惯性,其阀门不行能立刻停下来,会显现不同程度的超程,这一超程通常采纳掌握电机反向转动来校正；机电一体化的大流量电动执行机构依据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速
16、段变化速率 程降到最低；5模拟信号的隔离；ki,使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位,从而将超对于变频器的直流电压以及输出的三相电压,它们之间的地址不一样,存在着较高的共模电压,为了保证系统的安全性,必需将它们彼此相互隔离；采纳 LM358 和 4N25 组成了隔离线性放大电路；如图 4-1 所示,采纳 15V 和 12V 两组独立的正负电源；如运放 A 的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地,就运放A 输出端的电位将降低,因而光电耦合器的发光强度将增强,就使其集射极电压减小,最终使运放 A 反相端的电位降低,回到正常状态；如 统的抗干扰性；A 的反相端电位负向偏离虚地,也可以重回到正常状态；
17、从而增强了系名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5结束语该执行机构集微机技术和执行器技术于一体,是一种新型的终端掌握单元,其电机是通过内部集成的一体化变频器来掌握,因此,同一台智能执行机构可以在肯定范畴内具有不同的运行速度和关断力矩；该智能执行机构采纳了液晶显示技术,它利用内置的液晶显示板,不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度,仍可以通过菜单挑选运行参数设定,当系统显现故障时,能显示出故障信息；总之,该执行名师归纳总结 机构集测量、决断、执行3 种功能于一体,顺应了电动执行机构的进展趋势,它的研制胜利给电
18、动执行机第 7 页,共 7 页构的研究开发提供了新的思路；参考文献 1 邓兵 , 等 数 字 阀 门 电 动 执 行 机 构 J 自 动 化 仪 表 , 200112Liu Jianhou The research on reliability and environmentadaptability of electric control valve used in unclear powerstation J Maintainability and Safety , vol 2 , Dalian , China , 28 31 August2001 3 Antsaklis PJ Intelligence andlearning J IEEEControl Syst Mag , 1995154王福瑞,等单片机微机测控系统设计大全M北京航空航天高校出版社,1999 ,9 249 5陈玉红一种简洁有用的线性光隔离放大器J漳州师范学院学报自然科学版 , 19994 - - - - - - -