机电一体化智能大流量电动执行机构

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，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 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。 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。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。 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 0～50Hz，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。 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。 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。 采纳双环操纵方案，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