機電一體化智能大流量電動執(zhí)行機構

1、機電一體化智能大流量電動執(zhí)行機構（圖）【摘要】提出一種新型電動執(zhí)行機構的設計方案，詳細介紹了該執(zhí)行機構各功能元件的選型與設計、閥位及速度控制原理以及各種關鍵問題的解決方法。該執(zhí)行機構將閥門、伺服電機、控制器合為一體，采用8031單片機、變頻技術實現(xiàn)了閥門的動作速度和位置控制，解決了閥門的精確定位、閥門柔性開關、極限位置判斷、電機保護及模擬信號隔離等技術問題?，F(xiàn)場運行情況表明，該電動執(zhí)行機構具有動作快、保護完善以及便于和計算機通訊等優(yōu)點。 1引言 在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行機構起著十分重要的作用，它是自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分?，F(xiàn)有的國產(chǎn)大流量電動執(zhí)行機構存在著控制手段落后、機械傳動機構

2、多、結(jié)構復雜、定位精度低、可靠性差等問題。而且執(zhí)行機構的全程運行速度取決于其電機的輸出軸轉(zhuǎn)速和其內(nèi)部減速齒輪的減速比，一旦出廠，這一速度固定不可調(diào)整，其通用性較弱。整個機構缺乏完善的保護和故障診斷措施以及必要的通信手段，系統(tǒng)的安全性較差，不便與計算機聯(lián)網(wǎng)。鑒于以上原因，采用傳統(tǒng)的大流量電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較差。隨著計算機網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線等技術在工業(yè)過程中的應用，這種執(zhí)行機構已遠遠不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。筆者設計的大流量電動執(zhí)行機構，采用機電一體化技術，將閥門、伺服電機、控制器合為一體，利用異步電動機直接驅(qū)動閥門的開與關。通過內(nèi)置變頻器，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)閥門的動作速度、精確

3、定位、柔性開關以及電機轉(zhuǎn)矩等控制。該電動執(zhí)行機構省去了用于控制電機正、反轉(zhuǎn)的接觸器和可控硅換向開關模件、機械傳動裝置和復雜、昂貴的控制柜和配電柜，具有動作快、保護較完善、便于和計算機聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。實際運行表明，該執(zhí)行機構工作穩(wěn)定，性能可靠。 2電動執(zhí)行機構的硬件設計及工作原理 電動執(zhí)行機構控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。智能執(zhí)行機構從結(jié)構上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動部分。 控制部分主要由單片機、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動部分主要包括三相伺報電機和位置傳感器。 系統(tǒng)工作原理： 霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測

4、到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發(fā)生器，產(chǎn)生的PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設計： 1) 單片機選用INTEL公司生產(chǎn)的8031單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信號；處理IPM發(fā)出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執(zhí)行

5、機構的工作狀態(tài)信號；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng)反饋信號； 2)三相PWM波發(fā)生器PWM波的產(chǎn)生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，并存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計算產(chǎn)生PWM波，這種方法占用的內(nèi)存較大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等功能，文中選用MITEL公司生產(chǎn)的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內(nèi)部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。

6、 3)智能逆變模塊IPM為了滿足執(zhí)行機構體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機構主要適用功率小于55kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為075。經(jīng)計算可知，選用日本產(chǎn)的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關和驅(qū)動電路、制動電路于一體，并內(nèi)置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。 4) 位置檢測電路位置檢測電路是執(zhí)行機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動

7、變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點。 5)電壓、電流及檢測檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為050Hz，采用常規(guī)的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測IPM輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。如圖2-2所示。 6) 通通訊接口口為了了實現(xiàn)

8、計計算機聯(lián)聯(lián)網(wǎng)和遠遠程控制制，選用用MAXX2322作為系系統(tǒng)的串串行通訊訊接口，MAXX2322內(nèi)部有有兩個完完全相同同的電平平轉(zhuǎn)換電電路，可可以把880311串行口口輸出的的TTLL電平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為RRS2232標標準電平平，把其其它微機機送來的的RS2322標準電電平轉(zhuǎn)換換成TTTL電平平給80031，實現(xiàn)單單片機與與其它微微機間的的通訊。 7)時鐘電電路時時鐘電路路主要用用來提供供采樣與與控制周周期、速速度計算算時所需需要的時時間以及及日歷。文中選選用時鐘鐘電路DDS1228877。DSS128887內(nèi)內(nèi)部有1114字字節(jié)的用用戶非易易失性RRAM，可用來來存入需需長期保保存的數(shù)數(shù)據(jù)。8)

9、液液晶顯示示單元為了實實現(xiàn)人機機對話功功能，選選用MGGLS1128332液晶晶顯示模模塊組成成顯示電電路。采采用組態(tài)態(tài)顯示方方式。通通過菜單單選擇，可分別別對閥門門、力矩矩、限位位、電機機、通訊訊和參數(shù)數(shù)等信號號進行設設置或調(diào)調(diào)試。并并采用文文字和圖圖形相結(jié)結(jié)合的方方式，顯顯示直觀觀、清晰晰。 99)程序序出格自自恢復電電路為為了保證證在強干干擾下程程序出格格時系統(tǒng)統(tǒng)能夠自自動地恢恢復正常常，選用用MAXX7055組成程程序出格格自恢復復電路，監(jiān)視程程序運行行。如圖圖2-33所示，該電路路由MAAX7005、與與非門及及微分電電路組成成。 工作原理理為：一一旦程序序出格，WDOO由高變變低，

10、由由于微分分電路的的作用，由“與與非”門門輸入引引腳2變變?yōu)楦唠婋娖剑_2電電平的這這種變化化使“與與非”門門輸出一一個正脈脈沖，使使單片機機產(chǎn)生一一次復位位，復位位結(jié)束后后，又由由程序通通過P110口口向MAAX7005的WWDI引引腳發(fā)正正脈沖，使WDDO引腳腳回到高高電平，程序出出格自恢恢復電路路繼續(xù)監(jiān)監(jiān)視程序序運行。 3閥位及及速度控控制原理理 閥位位及速度度控制原原理框圖圖如圖33-1所所示。采用雙環(huán)環(huán)控制方方案，其其中內(nèi)環(huán)環(huán)為速度度環(huán)，外外環(huán)為位位置環(huán)。速度環(huán)環(huán)主要將將當前速速度與速速度給定定發(fā)生器器送來的的設定速速度相比比較，通通過速度度調(diào)節(jié)器器改變PPWM波波發(fā)生器器載波頻

11、頻率，實實現(xiàn)電機機的轉(zhuǎn)速速調(diào)節(jié)。速度調(diào)調(diào)節(jié)器采采用模糊糊神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡控制制算法(具體內(nèi)內(nèi)容另文文敘述)。 外外環(huán)主要要根據(jù)當當前位置置速度的的設定，通過速速度給定定發(fā)生器器向內(nèi)環(huán)環(huán)提供速速度的設設定值。由于大大流量閥閥執(zhí)行機機構在運運行過程程中存在在加速、勻速、減速等等階段。各階段段的時間間長短、加速度度的大小小、在何何位置開開始勻速速或減速速均與給給定位置置、當前前位置以以及運行行速度有有關。速速度給定定發(fā)生器器的工作作原理為為：通過過比較實實際閥位位與給定定閥位，當二者者不相等等時，以以恒定加加速度加加速，減減速點根根據(jù)當前前速度、閥位值值、閥位位給定值值的大小小計算得得來。執(zhí)行機機構各階階

12、段運行行速度的的計算原原理 圖3-22為執(zhí)行行機構的的典型運運行速度度圖，它它由若干干段變化化速率不不同的折折線組成成。將曲曲線上速速率開始始發(fā)生改改變的那那一點稱稱為起始始段點，相應的的時間稱稱為段起起始時間間，如圖圖3-22中的tt(i)(i0，11，2，)，相應應的速度度稱為段段起始速速度，如如圖3-2所示示V(ii)(ii0，1，22，)。 設設第i段段速度的的變化速速率為kki，則則有：式中：v為兩兩段點之之間的速速度變化化值，vvvi11vii； t為兩兩段之間間的時間間，tttii1ti。 顯然然，當kki00時為恒恒速段，ki0時為為升速段段，kii0時時為減速速段。任任意時刻

13、刻的速度度給定值值為：Ts為采采樣周期期。 變變化速率率ki的的取值由由給定位位置、當當前位置置以及運運行速度度的大小小確定。 4關鍵技技術問題題的解決決 該電電動執(zhí)行行機構采采用了最最新的變變頻調(diào)速速技術，電機驅(qū)驅(qū)動功率率小于555kkW。用用戶可根根據(jù)需要要設定力力矩特性性，根據(jù)據(jù)控制的的閥設定定速度，速度分分多轉(zhuǎn)式式、直行行程、角角行程33種方式式。控制制系統(tǒng)由由閥位給給定和閥閥位反饋饋信號構構成的閉閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，控制制特性視視運行方方式、速速度而定定，并具具有自動動過流保保護、過過載保護護、超壓壓、欠壓壓、過熱熱、缺相相、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)等保護護功能。 該執(zhí)執(zhí)行機構構解決的的關鍵性性技術問問題主要

14、要有：1) 閥門柔柔性開關關柔性性開關主主要是為為了當閥閥關閉或或全開時時，保證證閥門不不卡死與與損傷。執(zhí)行機機構內(nèi)部部的微處處理器根根據(jù)測得得的變頻頻器輸出出電壓和和電流，通過精精確計算算，得出出其輸出出力矩。一旦輸輸出力矩矩達到或或大于設設定的力力矩，自自動降低低速度，以避免免閥門內(nèi)內(nèi)部過度度的撞擊擊，從而而達到最最優(yōu)關閉閉，實現(xiàn)現(xiàn)過力矩矩保護。 2)閥位的的極限位位置判斷斷閥位位的極限限位置是是指全開開和全關關位置。在傳統(tǒng)統(tǒng)執(zhí)行機機構中，該位置置的檢測測是通過過機械式式限位開開關獲得得的。機機械式限限位開關關精度低低，在運運行中易易松動，可靠性性差。在在文中，電動執(zhí)執(zhí)行機構構極限位位置通

15、過過檢測位位置信號號的增量量獲得。其原理理是，單單片機將將本次檢檢測的位位置信號號與上次次檢測的的信號相相比較，如果未未發(fā)生變變化或變變化較小小，即認認為己達達到極限限位置，立即切切斷異步步電機的的供電電電源，保保證閥門門的安全全關閉或或全開。省去了了機械式式限位開開關，無無需在調(diào)調(diào)試時對對其進行行復雜的的調(diào)整。 3)電機保保護的實實現(xiàn)為為了防止止電機因因過熱而而燒毀，單片機機通過溫溫度傳感感器連續(xù)續(xù)檢測電電機的實實際運行行溫度，如果溫溫度傳感感器檢測測到電機機溫度過過高，自自動切斷斷供電電電源。溫溫度傳感感器內(nèi)置置于電機機內(nèi)部。 4)準確定定位傳傳統(tǒng)的電電動執(zhí)行行機構在在異步電電機通電電后會

16、很很快達到到其額定定動作速速度，當當接近停停止位置置時，電電機斷電電后，由由于機械械慣性，其閥門門不可能能立即停停下來，會出現(xiàn)現(xiàn)不同程程度的超超程，這這一超程程通常采采用控制制電機反反向轉(zhuǎn)動動來校正正。機電電一體化化的大流流量電動動執(zhí)行機機構根據(jù)據(jù)當前位位置與給給定位置置的差值值以及運運行速度度的大小小超前確確定減速速點的位位置及減減速段變變化速率率ki，使閥門門在較低低的速度度下實現(xiàn)現(xiàn)精確的的微調(diào)和和定位，從而將將超程降降到最低低。 55)模擬擬信號的的隔離。 對于于變頻器器的直流流電壓以以及輸出出的三相相電壓，它們之之間的地地址不一一致，存存在著較較高的共共模電壓壓，為了了保證系系統(tǒng)的安安

17、全性，必須將將它們彼彼此相互互隔離。采用LLM3558和 4N225組成成了隔離離線性放放大電路路。如圖圖4-11所示，采用15VV和112V兩兩組獨立立的正負負電源。若運放放A的反反相端電電位由于于擾動而而正向偏偏離虛地地，則運運放A輸輸出端的的電位將將降低，因而光光電耦合合器的發(fā)發(fā)光強度度將增強強，則使使其集射射極電壓壓減小，最后使使運放AA反相端端的電位位降低，回到正正常狀態(tài)態(tài)。若AA的反相相端電位位負向偏偏離虛地地，也可可以重回回到正常常狀態(tài)。從而增增強了系系統(tǒng)的抗抗干擾性性。 5結(jié)束束語 該該執(zhí)行機機構集微微機技術術和執(zhí)行行器技術術于一體體，是一一種新型型的終端端控制單單元，其其電機是