機(jī)電一體化智能大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)說明

1、1 / 14機(jī)電一體化智能大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖）【摘要】 提出一種新型電動(dòng)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)、 閥位及速度操縱原理以及各 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)、操縱器 合為一體，采納8031單片機(jī)、變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了閥門的動(dòng)作速度 和位置操縱，解決了閥門的精確定位、閥門柔性開關(guān)、極限位置 推斷、電機(jī)愛護(hù)及模擬信號(hào)隔離等技術(shù)問題。 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明， 該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有動(dòng)作快、 愛護(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)過程操縱中， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)起著十分重要的作用， 它是 自動(dòng)操2 / 14縱系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 現(xiàn)有的國

2、產(chǎn)大流量電動(dòng)執(zhí) 行機(jī)構(gòu)存在著操縱手段落后、機(jī)械傳動(dòng)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)缺乏完善的愛護(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)。 鑒于以上緣故， 采納傳統(tǒng)的大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 的操縱系統(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(chǎng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 采納機(jī)電一體化 技術(shù)，將閥門、伺服電機(jī)、操縱器合為一體，

3、利用異步電動(dòng)機(jī)直 接驅(qū)動(dòng)閥門的開與關(guān)。通過內(nèi)置變頻器，采納模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí) 現(xiàn)閥門的動(dòng)作速度、精確定位、柔性開關(guān)以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩等操縱。該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)省去了用于操縱電機(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(dòng)裝置和復(fù)雜、昂貴的操縱柜和配電柜，具有動(dòng)作快、愛護(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3 / 14表明，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定，性能可靠。2電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱系統(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)上要緊分為操縱部分和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分。操縱部分要緊由單片機(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(cè)和報(bào)警電路

4、等組成。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分要緊包括三相伺報(bào)電機(jī)和位置傳感器。陽2-1電訪恆竹機(jī)恂忡曲吊址慣即系統(tǒng)工作原理: 霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測(cè)到的逆變模塊三相輸出卄LI n町箜0卜 T 榭用.時(shí) T 諂拆二兩麗b-14 / 14電流、電壓及閥門的位置信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片 機(jī)通過8255操縱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)速以及閥位操縱。逆變模塊 工作時(shí)所需要的直流電壓信號(hào)由整流電路對(duì)380V電源進(jìn)行全橋整流得到。操縱系統(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)，它要緊通過并 行8255口擔(dān)負(fù)操縱系統(tǒng)的

5、信號(hào)處理：接收系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關(guān)閉及閥門開度等設(shè)定信號(hào)， 并提供三相PWM波發(fā)生器所需 要的操縱信號(hào)； 處理IPM發(fā)出的故障信號(hào)和報(bào)警信號(hào)； 處理通過 模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測(cè)信號(hào)；提供顯示電動(dòng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)信號(hào)； 執(zhí)行操縱系統(tǒng)來的操縱信號(hào)， 向操縱 系統(tǒng)反饋信號(hào)；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，5 / 14不能保證系統(tǒng)的精度。 為了滿足智能功率模塊

6、所需要的PWM波操縱信號(hào)， 保證微處理器有足夠的時(shí)刻進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢 測(cè)、 愛護(hù)、 操縱等功能，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、幅值等操縱 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)電源采納智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)要緊適用功率 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PM50RSA12能夠滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路、制動(dòng)電路 于一體，并內(nèi)置過電流、 短路、欠

7、電壓和過熱愛護(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(cè)電路 位置檢測(cè)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(hào)。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選6 / 14型。在傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中多采納繞線電位器、差動(dòng)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(dòng)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，壽命也不可能專門長，精度也不高。 筆者采納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(cè)檢測(cè)電壓、電流要緊是為了計(jì)算電機(jī)的力 矩，以及變頻器輸出回路短路、斷恩愛護(hù)和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓