機(jī)電一體化智能大流量電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)
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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、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。現(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、便于和計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。實際運(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、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動部分主要包括三相伺報電機(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,實現(xiàn)電機(jī)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(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: 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(jìn)行整個系統(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 為了實現(xiàn)計算機(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,實現(xiàn)單片機(jī)與其它微機(jī)間的通訊。 7)時鐘電路 時鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計算時所需要的時間以及日歷。文中選用時鐘電路 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?,引腳 2 電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈沖,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:通過比較實際閥位與給定閥位,當(dāng)二者不相等時,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算得來。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)各階段運(yùn)行速度的計算原理圖 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)的時間稱為段起始時間,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 為兩段之間的時間,Δt=ti+1-ti。 顯然,當(dāng) ki=0 時為恒速段,ki>0 時為升速段,ki<0 時為減速段。任意時刻的速度給定值為: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??刂葡到y(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,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)試時對其進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。 3)電機(jī)保護(hù)的實現(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,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,能顯示出故障信息??傊搱?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). 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