机电一体化智能大流量电动执行机构介绍.docx

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1、机电一体化智能大流量电动执行机构介绍机电一体化智能大流量电动执行机构（图）【摘要】提出一种新型电动执行机构的设计方案，全面介绍了该执行机构各功能元件的选型与设计、阀位及速度操纵原理与各类关键问题的解决方法。该执行机构将阀门、伺服电机、操纵器合为体，使用8031单片机、变频技术实现了阀门的动作速度与位置操纵，解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置推断、电机保护及模拟信号隔离等技术问题。现场运行情况说明，该电动执行机构具有动作快、保护完善与便于与计和机通讯等优点。1引言在现代化生产过程操纵中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动操纵系统中不可缺少的构成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着

2、操纵手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。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与其内部减速齿轮的减速比，一旦出厂,这一速度固定不可调整，其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护与故障诊断措施与必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，使用传统的大流量电动执行机构的操纵系统，可靠性与稳固性较差。随着计算机网络、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足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构，使用机电一体化技术，将阀门、伺服电机、操纵器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，使用模糊神经网络，

3、实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关与电机转矩等操纵。该电动执行机构省去了用于操纵电机正、反转的接触器与可控硅换向开关模件、机械传动装置与复杂、昂贵的操纵柜与配电柜，具有动作快、保护较完善、便于与计算机联网等优点。实际运行说明，该执行机构工作稳固，性能可靠。2电动执行机构的硬件设计及工作原理电动执行机构操纵系统原理框图如图2,所示。智能执行机构从结构上要紧分为操纵部分与执行驱动部分。操纵部分要紧由单片机、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、故障检测与报警电路等构成。执行驱动部分要紧包含三相伺报电机与位置传感器。系统工作原理：霍尔电流、电压传感器及位置

4、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操纵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与阀位操纵.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。操纵系统各功能元件的选型与设计:1）单片机选用INTE1公司生产的8031单片机，它要紧通过并行8255口担负操纵系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的操纵信号：处理IPM发出的故障信号与报警信号：处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执

5、行机构的工作状态信号；执行操纵系统来的操纵信号，向操纵系统反馈信号；2）三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟与数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不一致的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波操纵信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、操纵等功能，文中选用MrrE1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、幅值等操纵信息

6、。3）智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源使用智能功率模块IPM。该执行机构要紧适用功率小于55kW的三相异步电机，其额定电压为380V,功率因数为0.75o经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120能够满足系统要求。该功率模块集功率开关与驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压与过热保护与报警输出，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构成部分，它的功能是提供准确的位置信号。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使用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。差动变压

7、器由于线性区太短与温度特性不理想而受到限制。导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。笔者使用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、无温度限制等特点。5）电压、电流及检测检测电压、电流要紧是为了计算电机的力矩，与变频器输出回路短路、断相保护与逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流与电压的频率范围为050Hz,使用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，使用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，关于IPM输出电压的检测使用分压电路。如图2-2所示。R12-2IPM输出电流、电压检测6）

8、通讯接口为了实现计算机联网与远程操纵，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，能够把8031串行口输出的TT1电平转换为RS232标准电平，把其它微机送来的RS232标准电平转换成TT1电平给8031,实现单片机与其它微机间的通讯。7）时钟电路时钟电路要紧用来提供采样与操纵周期、速度计算时所需要的时间与日历。文中选用时钟电路DS12887oDS12887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MG1S12832液晶显示模块构成显示电路。使用组态显示方式。通过菜单选择，可分别对阀门、

9、力矩、限位、电机、通讯与参数等信号进行设置或者调试。并使用文字与图形相结合的方式，显示直观、清晰。9）程序出格自恢复电路为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用MAX705构成程序出格自恢复电路，监视程序运行。如图2-3所示，该电路由MAX705、与非门及微分电路构成。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”门输出个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过P1.01响乂4乂705的川口1引脚发正脉冲，使WDO用脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行。3阀位及速度操纵原理

10、阀位及速度操纵原理框图如图3-1所示。给声位，当I1r位*图A1阀位及速度控制以理框图使用双环操纵方案，其中内环为速度环，外环为位置环。速度环要紧将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较，通过速度调节器改变PWM波发生器载波频率，实现电机的转速调节。速度调行器使用模糊神经网络操纵算法（具体内容另文叙述）。外环要紧根据当前位置速度的设定，通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。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、在何位置开始匀速或者减速均与给定位置、当前位置与运行速度有关。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

11、者不相等时，以恒定加速度加速，减速点根据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小计算得来。执行机构各阶段运行速度的计算原理W3-2执行机构的典型运行速度图图32为执行机构的典型运行速度图，它由若干段变化速率不一致的折线构成。将曲线上速率开始发生改变的那一点称之起始段点，相应的时间称之段起始时间，如图3-2中的t(i)(i=O,1,2,),相应的速度称之段起始速度，如图3-2所示V(i)(i=O,1,2,)。设第i段速度的变化速率为ki,则有:,Ar卜尸A式中：AV为两段点之间的速度变化值，v=vi+1-vi&为两段之间的时间，t=ti+1-tio显然，当ki=0时为恒速段，ki0时为升速段，kiVO

12、时为减速段。任意时刻的速度给定值为:fiv(i-1).kiXTtTs为采样周期。变化速率ki的取值由给定位置、当前位置与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使用了最新的变频调速技术，电机驱动功率小于5.5kW,用户可根据需要设定力矩特性,根据操纵的阀设定速度，速度分多转式、直行程、角行程3种方式。操纵系统由阀位给定与阀位反馈信号构成的闭环系统，操纵特性视运行方式、速度而定，并具有自动过流保护、过载保护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能。该执行机构解决的关键性技术问题要紧有：1）阀门柔性开关柔性开关要紧是为了当阀关闭或者全开时，保证阀门不卡死与损伤。执行机构内部的微处理器

13、根据测得的变频器输出电压与电流，通过精确计算，得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或者大于设定的力矩，自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击，从而达到最优关闭，实现过力矩保护。2）阀位的极限位置推断阀位的极限位置是指全开与全关位置。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，可靠性差。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，假如未发生变化或者变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或者全开。省去了机械式限位开关，无需在调试时对其进行复

14、杂的调整。3）电机保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）准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，其阀门不可能立即停下来，会出现不一致程度的超程，这一超程通常使用操纵电机反向转动来校正。机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值与运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率ki,使阀门在较低的速度下实现精确的微调与定位，从而将超程降到最低。5）模拟信号的隔离。关于变频器的直流电

15、压与输出的三相电压，它们之间的地址不致，存在着较高的共模电压，为了保证系统的安全性，务必将它们彼此相互隔离。使用1M358与4N25构成了隔离线性放大电路。如图4-1所示，使用15V与12V两组独立的正负电源。若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地，则运放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，则使其集射极电压减小，最后使运放A反相端的电位降低，回到正常状态。若A的反相端电位负向偏离虚地，也能够重回到正常状态。从而增强了系统的抗干扰性。5结束语该执行机构集微机技术与执行器技术于一体，是一种新型的终端操纵单元，其电机是通过内部集成的一体化变频器来操纵，因此，同一台智能执行机构能够在一定范围内具有不一致的运行速度与关断力矩。该智能执行机构使用了液晶显示技术，它利用内置的液晶显示板，不仅能够显示阀门的开、关状态与正常运行时阀门的开度，还能够通过菜单选择运行参数设定，当系统出现故障时，能显示出故隙信息。总之，该执行机构集测量、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，它的研制成功给电动执行机构的研究开发提供了新的思路。