机电一体化智能大流量电动执行机构

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1、机电一体化智能大流量电动执行机构【摘要】提出一种新型电动执行机构的设计方案，详细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、操纵器合为一体，采纳8031 单片机、变频技术实现了阀门的动作速度和位置操纵，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组成部分。现 有的国产大流量电动执行机构存在着操纵手段落后、机械传动机构

2、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和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。鉴于以上缘故，采纳传统的大流量电动执行机构的操纵系统，可 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，这种执行机构巳远远不能满 足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构，采纳机电一体化技术，将阀门、伺服电机、操纵器 合为一体，利用异步电动机直截了当驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采纳模糊神经网络，实现阀门

3、 的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等操纵。该电动执行机构省去了用于操纵电机正、反转的 接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的操纵柜和配电柜，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2-1所示。智能执行机构从结构上要紧分为操纵部分和执行驱动部分。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、 故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分要紧包括三相伺报电机和位置传感器。一HKHj i mH.E护咀登速I暗

4、？一l W凯X行机尚控初系境朽理系统工作原理: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以及阀位操纵。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INTEL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

5、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；提供显 示电动执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；数字法是按照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刻进行整个系统的检测、爱护、操纵等功能，文中 选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA82

6、82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。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，电机电源采纳智能功率模块IPM。该 执行机构要紧适用功率小于5. 5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0. 75。经运算可 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和驱动电路、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，它的功能是提供准确的位置信号。关键问题 是位置

7、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，寿命也不可能专门长，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、电流要紧是为了运算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断恩爱护 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 器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采纳霍尔

8、型电流互感器检测IPM输出的三相电流，关于IPM 输出电压的检测采纳分压电路。如图2-2所示。EJ2-3输酢也临，电压检测6）通讯接口 为了实现运算机联网和远程操纵，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TTL电平转换为RS-232标准电平，把其它 微机送来的RS-232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 时钟电路要紧用来提供采样与操纵周期、速度运算时所需要的时刻以及日历。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

9、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。通过菜单选择，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。并采纳文字 和图形相结合的方式，显示直观、清晰。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，选用MAX705组成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。圈93再序出格白恢复电路 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

10、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连续监视程序 运行。3阀位及速度操纵原理阀位及速度操纵原理框图如图3-1所示。声蛰定通康发安最，和一 程口 |圄阀仙及速度控制町理框图米纳双环操纵方案，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，通过速度调剂器改变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 模糊神经网络操纵算法（具体内容另文叙述）。外环要紧依照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

11、构在运行过程中存在加速、匀速、减速等时期。各时期的时刻长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或 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，减速点依照当前速度、阀位值、阀位给定值的大小运算得 来。执行机构各时期运行速度的运算原理图33映订帆构的典箜运竹速度阁咐电机山厝电机&S4 时*1图3-2为执行机构的典型运行速度图，它由若干段变化速率不同的折线组成。将曲线上速率开始发生改变 的那一点称为起始段点，相应的时刻称为段起始时刻，如图3-2中的t(i)(i = 0，1，2,.)，相应的速度称为段起始速度，如图

12、3-2所示V(i)(i=0，1，2，)。设第i段速度的变化速率为ki，则有:式中：Av为两段点之间的速度变化值，Av=vi+1-vi；At为两段之间的时刻，At=ti+1ti。明显，当ki = 0时为恒速段，ki0时为升速段，ki0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5. 5kW。用户可依照需要设定力矩特性，依照操纵的阀设定速度，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和阀位反馈信号 构成的闭环系统，操纵特性视运行方式、速度

13、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要紧有：1）阀门柔性开关柔性开关要紧是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损害。执行机构内部的微处 理器依照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 的力矩，自动降低速度，以幸免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，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

14、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，即认为己达到极限位置，赶忙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）准确定位传统的电动执行机构在异步电机通电后会专门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，其阀门不可能赶忙停下来，会显现不同程度的超程，这一超程通常采纳操纵 电机反向转动

15、来校正。机电一体化的大流量电动执行机构依照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段变化速率ki，使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位，从而将超程降到最低。5）模拟信号的隔离。关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致，存在着较高的共模电压，为了保证 系统的安全性，必须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。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

16、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终止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，不仅能够显示阀门的开、关状态和正常运行时阀 门的开度，还能够通过菜单选择运行参数设定，当系统显现故障时，能显示出故 障信息。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。