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機(jī)電一體化智能大流量電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)【論文摘要】提出一種新型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了該執(zhí)行機(jī)構(gòu)各功能元件的選型與設(shè)計(jì)、閥位及速度控制原理以及各種關(guān)鍵問題的解決方法。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)將閥門、伺服電機(jī)、控制器合為一體，采用 8031 單片機(jī)、變頻技術(shù)實(shí)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(guān)、極限位置判斷、電機(jī)保護(hù)及模擬信號隔離等技術(shù)問題?，F(xiàn)場運(yùn)行情況表明，該電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有動作快、保護(hù)完善以及便于和計(jì)算機(jī)通訊等優(yōu)點(diǎn)。 1 引言 在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)存在著控制手段落后、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位精度低、可靠性差等問題。而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全程運(yùn)行速度取決于其電機(jī)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(gè)機(jī)構(gòu)缺乏完善的保護(hù)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(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較差。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線等技術(shù)在工業(yè)過程中的應(yīng)用，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。筆者設(shè)計(jì)的大流量電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用機(jī)電一體化技術(shù)，將閥門、伺服電機(jī)、控制器合為一體，利用異步電動機(jī)直接驅(qū)動閥門的開與關(guān)。通過內(nèi)置變頻器，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)閥門的動作速度、精確定位、柔性開關(guān)以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩等控制。該電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)省去了用于控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的接觸器和可控硅換向開關(guān)模件、機(jī)械傳動裝置和復(fù)雜、昂貴的控制柜和配電柜，具有動作快、保護(hù)較完善、便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行表明，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定，性能可靠。 2 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)原理框圖如圖 2-1 所示。智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)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(jī)、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(bào)警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動部分主要包括三相伺報(bào)電機(jī)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(jī)。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工作時(shí)所需要的直流電壓信號由整流電路對 380V 電源進(jìn)行全橋整流得到。 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設(shè)計(jì)： 1)單片機(jī) 選用 INTEL 公司生產(chǎn)的 8031 單片機(jī)，它主要通過并行8255 口擔(dān)負(fù)控制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關(guān)閉及閥門開度等設(shè)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(bào)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)行機(jī)構(gòu)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(fù)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(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，并存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計(jì)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(shí)間進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測、保護(hù)、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(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)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。 3)智能逆變模塊 IPM 為了滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積小，可靠性高的要求，電機(jī)電源采用智能功率模塊 IPM。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要適用功率小于5．5kW 的三相異步電機(jī)，其額定電壓為 380V，功率因數(shù)為 0．75。經(jīng)計(jì)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(guān)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(hù)以及報(bào)警輸出，是一種高性能的功率開關(guān)器件。 4)位置檢測電路 位置檢測電路是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要組成部分，它的功能是提供準(zhǔn)確的位置信號。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中多采用繞線電位器、差動變壓器、導(dǎo)電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導(dǎo)電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)。 5)電壓、電流及檢測 檢測電壓、電流主要是為了計(jì)算電機(jī)的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護(hù)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 0～50Hz，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)通訊接口 為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制，選用 MAX232 作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232 內(nèi)部有兩個(gè)完全相同的電平轉(zhuǎn)換電路，可以把 8031 串行口輸出的 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS－232 標(biāo)準(zhǔn)電平，把其它微機(jī)送來的 RS－232 標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換成 TTL 電平給 8031，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其它微機(jī)間的通訊。 7)時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計(jì)算時(shí)所需要的時(shí)間以及日歷。文中選用時(shí)鐘電路 DS12887。DS12887 內(nèi)部有 114 字節(jié)的用戶非易失性 RAM，可用來存入需長期保存的數(shù)據(jù)。 8)液晶顯示單元 為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能，選用 MGLS12832 液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機(jī)、通訊和參數(shù)等信號進(jìn)行設(shè)置或調(diào)試。并采用文字和圖形相結(jié)合的方式，顯示直觀、清晰。 9)程序出格自恢復(fù)電路 為了保證在強(qiáng)干擾下程序出格時(shí)系統(tǒng)能夠自動地恢復(fù)正常，選用 MAX705 組成程序出格自恢復(fù)電路，監(jiān)視程序運(yùn)行。如圖 2-3 所示，該電路由 MAX705、與非門及微分電路組成。工作原理為：一旦程序出格，WDO 由高變低，由于微分電路的作用，由“與非”門輸入引腳 2 變?yōu)楦唠娖剑_ 2 電平的這種變化使“與非”門輸出一個(gè)正脈沖，使單片機(jī)產(chǎn)生一次復(fù)位，復(fù)位結(jié)束后，又由程序通過 P1．0 口向 MAX705 的 WDI 引腳發(fā)正脈沖，使 WDO 引腳回到高電平，程序出格自恢復(fù)電路繼續(xù)監(jiān)視程序運(yùn)行。3 閥位及速度控制原理 閥位及速度控制原理框圖如圖 3-1 所示。采用雙環(huán)控制方案，其中內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)主要將當(dāng)前速度與速度給定發(fā)生器送來的設(shè)定速度相比較，通過速度調(diào)節(jié)器改變 PWM 波發(fā)生器載波頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法(具體內(nèi)容另文敘述)。 外環(huán)主要根據(jù)當(dāng)前位置速度的設(shè)定，通過速度給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán)提供速度的設(shè)定值。由于大流量閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中存在加速、勻速、減速等階段。各階段的時(shí)間長短、加速度的大小、在何位置開始勻速或減速均與給定位置、當(dāng)前位置以及運(yùn)行速度有關(guān)。速度給定發(fā)生器的工作原理為：通過比較實(shí)際閥位與給定閥位，當(dāng)二者不相等時(shí)，以恒定加速度加速，減速點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前速度、閥位值、閥位給定值的大小計(jì)算得來。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各階段運(yùn)行速度的計(jì)算原理圖 3-2 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的典型運(yùn)行速度圖，它由若干段變化速率不同的折線組成。將曲線上速率開始發(fā)生改變的那一點(diǎn)稱為起始段點(diǎn)，相應(yīng)的時(shí)間稱為段起始時(shí)間，如圖 3-2 中的 t(i)(i＝0，1，2，……)，相應(yīng)的速度稱為段起始速度，如圖 3-2 所示 v(i)(i＝0，1，2，…)。設(shè)第 i 段速度的變化速率為 ki，則有：式中：Δv 為兩段點(diǎn)之間的速度變化值，Δv＝vi＋1－vi； Δt 為兩段之間的時(shí)間，Δt＝ti＋1－ti。 顯然，當(dāng) ki＝0 時(shí)為恒速段，ki＞0 時(shí)為升速段，ki＜0 時(shí)為減速段。任意時(shí)刻的速度給定值為：Ts 為采樣周期。 變化速率 ki 的取值由給定位置、當(dāng)前位置以及運(yùn)行速度的大小確定。4 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決 該電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了最新的變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)驅(qū)動功率小于5．5kW。用戶可根據(jù)需要設(shè)定力矩特性，根據(jù)控制的閥設(shè)定速度，速度分多轉(zhuǎn)式、直行程、角行程 3 種方式。控制系統(tǒng)由閥位給定和閥位反饋信號構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運(yùn)行方式、速度而定，并具有自動過流保護(hù)、過載保護(hù)、超壓、欠壓、過熱、缺相、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。 該執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要有： 1)閥門柔性開關(guān) 柔性開關(guān)主要是為了當(dāng)閥關(guān)閉或全開時(shí)，保證閥門不卡死與損傷。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的微處理器根據(jù)測得的變頻器輸出電壓和電流，通過精確計(jì)算，得出其輸出力矩。一旦輸出力矩達(dá)到或大于設(shè)定的力矩，自動降低速度，以避免閥門內(nèi)部過度的撞擊，從而達(dá)到最優(yōu)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)過力矩保護(hù)。 2)閥位的極限位置判斷 閥位的極限位置是指全開和全關(guān)位置。在傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，該位置的檢測是通過機(jī)械式限位開關(guān)獲得的。機(jī)械式限位開關(guān)精度低，在運(yùn)行中易松動，可靠性差。在文中，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限位置通過檢測位置信號的增量獲得。其原理是，單片機(jī)將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號相比較，如果未發(fā)生變化或變化較小，即認(rèn)為己達(dá)到極限位置，立即切斷異步電機(jī)的供電電源，保證閥門的安全關(guān)閉或全開。省去了機(jī)械式限位開關(guān)，無需在調(diào)試時(shí)對其進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。 3)電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn) 為了防止電機(jī)因過熱而燒毀，單片機(jī)通過溫度傳感器連續(xù)檢測電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機(jī)溫度過高，自動切斷供電電源。溫度傳感器內(nèi)置于電機(jī)內(nèi)部。 4)準(zhǔn)確定位 傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在異步電機(jī)通電后會很快達(dá)到其額定動作速度，當(dāng)接近停止位置時(shí)，電機(jī)斷電后，由于機(jī)械慣性，其閥門不可能立即停下來，會出現(xiàn)不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動來校正。機(jī)電一體化的大流量電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)當(dāng)前位置與給定位置的差值以及運(yùn)行速度的大小超前確定減速點(diǎn)的位置及減速段變化速率 ki，使閥門在較低的速度下實(shí)現(xiàn)精確的微調(diào)和定位，從而將超程降到最低。 5)模擬信號的隔離。 對于變頻器的直流電壓以及輸出的三相電壓，它們之間的地址不一致，存在著較高的共模電壓，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須將它們彼此相互隔離。采用 LM358 和 4N25 組成了隔離線性放大電路。如圖4-1 所示，采用±15V 和±12V 兩組獨(dú)立的正負(fù)電源。若運(yùn)放 A 的反相端電位由于擾動而正向偏離虛地，則運(yùn)放 A 輸出端的電位將降低，因而光電耦合器的發(fā)光強(qiáng)度將增強(qiáng)，則使其集射極電壓減小，最后使運(yùn)放 A 反相端的電位降低，回到正常狀態(tài)。若 A 的反相端電位負(fù)向偏離虛地，也可以重回到正常狀態(tài)。從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。5 結(jié)束語 該執(zhí)行機(jī)構(gòu)集微機(jī)技術(shù)和執(zhí)行器技術(shù)于一體，是一種新型的終端控制單元，其電機(jī)是通過內(nèi)部集成的一體化變頻器來控制，因此，同一臺智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在一定范圍內(nèi)具有不同的運(yùn)行速度和關(guān)斷力矩。該智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了液晶顯示技術(shù)，它利用內(nèi)置的液晶顯示板，不僅可以顯示閥門的開、關(guān)狀態(tài)和正常運(yùn)行時(shí)閥門的開度，還可以通過菜單選擇運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能顯示出故障信息?？傊?，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)集測量、決斷、執(zhí)行 3 種功能于一體，順應(yīng)了電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢，它的研制成功給電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究開發(fā)提供了新的思路。 參考文獻(xiàn) ［1］ 鄧 兵，等．?dāng)?shù)字閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)［J］．自動化儀表，2001(1)． ［2］ Liu 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，1995(15)． ［4］ 王福瑞，等．單片機(jī)微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全［M］．北京航空航天大學(xué)出版社，1999，9－249． ［5］ 陳玉紅．一種簡單實(shí)用的線性光隔離放大器［J］．漳州師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1999(4)．