畢業(yè)設計-- 機電一體化技術

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1、摘要3 引 言4 第1章 機電一體化技術的發(fā)展前景5 1.1智能化5 1.2系統(tǒng)化5 1.3微型化5 1.4模塊化6 1.5網絡化6 1.6綠色化6 第2章 機電一體化技術發(fā)展歷程及其趨向7 第3章 機電一體化中電動執(zhí)行機構的硬件設計及工作原理10 第4章 機電一體化中閥位及速度控制原理15 第5章 關鍵技術問題的解決16 第6章 機電一體化中繼電器保護的現狀與發(fā)展18 6.1 繼電保護發(fā)展現狀18 6.2.1　計算機化20 結 束 語21 參考文獻22 附錄………………………………………………………………………………………23 摘要：迄今為止，世界

2、各國都在大力推廣機電一體化技術。在人們生活的各個領域已得到廣泛的應用，并以蓬勃的生機向前發(fā)展，不僅深刻地影響著全球的科技、經濟、社會和軍事的發(fā)展，而且也深刻影響著機電一體化的發(fā)展趨勢。 據機電一體化技術的發(fā)展前景，提出一種新型電動執(zhí)行機構的設計方案，詳細介紹了該執(zhí)行機構各功能元件的選型與設計、閥位及速度控制原理以及各種關鍵問題的解決方法。該執(zhí)行機構將閥門、伺服電機、控制器合為一體，采用8031單片機、變頻技術實現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、極限位置判斷、電機保護及模擬信號隔離等技術問題?，F場運行情況表明，該電動執(zhí)行機構具有動作快、保護完善以及便于和計算機通

3、訊等優(yōu)點，充分利用了機電一體化技術帶來的方便快捷 關鍵詞：電動機閥門 繼電器保護 機電一體化技術總結 引 言 在現代化生產過程控制中，執(zhí)行機構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有的國產大流量電動執(zhí)行機構存在著控制手段落后、機械傳動機構多、結構復雜、定位精度低、可靠性差等問題。而且執(zhí)行機構的全程運行速度取決于其電機的輸出軸轉速和其內部減速齒輪的減速比，一旦出廠，這一速度固定不可調整，其通用性較弱。整個機構缺乏完善的保護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，不便與計算機聯(lián)網。鑒于以上原因，采用傳統(tǒng)的大流量電動執(zhí)行機構的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較差。隨著

4、計算機網絡、現場總線等技術在工業(yè)過程中的應用，這種執(zhí)行機構已遠遠不能滿足工業(yè)生產的要求。筆者設計的大流量電動執(zhí)行機構，采用機電一體化技術，將閥門、伺服電機、控制器合為一體，利用異步電動機直接驅動閥門的開與關。通過內置變頻器，采用模糊神經網絡，實現閥門的動作速度、精確定位、柔性開關以及電機轉矩等控制。該電動執(zhí)行機構省去了用于控制電機正、反轉的接觸器和可控硅換向開關模件、機械傳動裝置和復雜、昂貴的控制柜和配電柜，具有動作快、保護較完善、便于和計算機聯(lián)網等優(yōu)點。實際運行表明，該執(zhí)行機構工作穩(wěn)定，性能可靠 。自電子技術一問世,電子技術和機械技術的結合就開始了,只是出現了半導體集成電路,尤其是出現了以微

5、處理器為代表的大規(guī)模集成電路以后,"機電一體化"技術之后有了明顯進展,引起了人們的廣泛注重. 第1章 機電一體化技術的發(fā)展前景 縱觀國內外機電一體化的發(fā)展現狀和高新技術的發(fā)展動向,機電一體化將朝著以下幾個方向發(fā)展。 1.1智能化 智能化是機電一體化與傳統(tǒng)機械自動化的主要區(qū)別之一,也是21世紀機電一體化的發(fā)展方向。近幾年,處理器速度的提高和微機的高性能化、傳感器系統(tǒng)的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng)造了條件,有力地推動著機電一體化產品向智能化方向發(fā)展。智能機電一體化產品可以模擬人類智能,具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力,從而取代制造工程中人的部分腦力勞動。 1.2系統(tǒng)化

6、 系統(tǒng)化的表現特征之一就是系統(tǒng)體系結構進一步采用開放式和模式化的總線結構。系統(tǒng)可以靈活組態(tài),進行任意的剪裁和組合,同時尋求實現多子系統(tǒng)協(xié)調控制和綜合管理。表現特征之二是通信功能大大加強,一般除R S232等常用通信方式外,實現遠程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網需要的局部網絡正逐漸被采用。未來的機電一體化更加注重產品與人的關系,如何賦予機電一體化產品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要。機電一體化產品還可根據一些生物體優(yōu)良的構造研究某種新型機體,使其向著生物系統(tǒng)化方向發(fā)展。 1.3微型化 微型機電一體化系統(tǒng)高度融合了微機械技術、微電子技術和軟件技術,是機電一體化的一個新的發(fā)展方向。國外稱微電子機械系統(tǒng)的

7、幾何尺寸一般不超過1cm 3,并正向微米、納米級方向發(fā)展。由于微機電一體化系統(tǒng)具有體積小、耗能小、運動靈活等特點,可進入一般機械無法進入的空間并易于進行精細操作,故在生物醫(yī)學、航空航天、信息技術、工農業(yè)乃至國防等領域,都有廣闊的應用前景。目前,利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術,在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。 1.4模塊化 模塊化也是機電一體化產品的一個發(fā)展趨勢,是一項重要而艱巨的工程。由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研制和開發(fā)具有標準機械接口、電氣接口、動力接口、信息接口的機電一體化產品單元是一項復雜而重要的事,它需要制訂一系列標準,以便各部件、單元的匹配和接口。機電一體化

8、產品生產企業(yè)可利用標準單元迅速開發(fā)新產品,同時也可以不斷擴大生產規(guī)模。 1.5網絡化 網絡技術的飛速發(fā)展對機電一體化有重大影響,使其朝著網絡化方向發(fā)展。機電一體化產品的種類很多,面向網絡的方式也不同。由于網絡的普及,基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品。 1.6綠色化 工業(yè)的發(fā)達使人們物質豐富、生活舒適的同時也使資源減少,生態(tài)環(huán)境受到嚴重污染,于是綠色產品應運而生。綠色化是時代的趨勢,其目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中,對生態(tài)環(huán)境無危害或危害極小,資源利用率極高。機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污

9、染生態(tài)環(huán)境,報廢時能回收利用。綠色制造業(yè)是現代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。 第2章 機電一體化技術發(fā)展歷程及其趨向 機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關技術的進步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。 2．1 機電一體化技術發(fā)展歷程 1.數控機床的問世,寫下了"機電一體化"歷史的第一頁; 2.微電子技術為"機電一體化''帶來勃勃生氣; 3.可編程序控制器、"電力電子"等的發(fā)展為"機電一體化"提供了堅強基礎; 4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使"機電一體化"躍上新臺階

10、. 2．2 機電一體化發(fā)展趨向 1 數字化 微控制器及其發(fā)展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發(fā)展的數控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等。數字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數字化的實現將便于遠程操作、診斷和修復。 2智能化 即要求機電產品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O接口和智能工藝數據庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經網絡、灰色理論、小波理論、混沌與分

11、岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。 3 模塊化 由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研制具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產品開發(fā)設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產品。 4 網絡化 由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡把各種家用電器連接成以計算

12、機為中心的計算機集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發(fā)展。 5 人性化 機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。 6 微型化 微型化是精細加工技術發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行

13、器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發(fā)出各種MEMS器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。 7 集成化 集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優(yōu)化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產

14、的自動化與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調而又安全地運轉，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。 8 帶源化 是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發(fā)展方向之一。 9 綠色化 科學技術的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環(huán)境，回歸自然，實現可持續(xù)發(fā)展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指

15、低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。 10.光機電一體化. 一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機械結構等部件組成的.因此,引進光學技術,實現光學技術的先天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng).光機電一體化是機電產品發(fā)展的重要趨向. 第3章 機電一體化中電動執(zhí)行機構的硬件設計及工作原理 電動執(zhí)行機構控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。智能執(zhí)行機構從結構上主要分為控制

16、部分和執(zhí)行驅動部分。 控制部分主要由單片機、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅動部分主要包括三相伺報電機和位置傳感器。 3.1 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A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發(fā)生器，產生的PWM波經光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現電機的變頻調速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。 三相異步電動機的結構及工作原理 目前較常用的主要是交流電動機，

17、它可分為三相異步電動機和單相交流電動機兩種。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。下面以三相異步電動機為例介紹電動機的工作原理。 三相異步電動機的結構 三相異步電動機的結構主要由兩個部分組成，一是固定不動的部分（簡稱定子），二是可以自由旋轉的部分（簡稱轉子）。定子與轉子之間有一個很小的氣隙。此外，還有機座、端蓋軸承、接線盒、風扇等其他部分。 異步電動機根據轉子的繞組的結構不同，可分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式異步電動機的轉子繞組本身自成閉合回路，整個轉子形成一個堅實的整體，其結構簡單牢固、運行可靠、價格便宜，應用最為廣泛，小型異步電動機絕大部分屬于這類。繞線式異步電動機的結構比鼠籠

18、式復雜，但啟動性能較好，需要時還可以調節(jié)電動機的轉速。 1. 定子 定子是用來產生旋轉磁場的，主要由定子鐵心、定子繞組和機座等部分組成。鼠籠式和繞線式異步電動機的定子結構是完全一樣的。 2. 轉子 轉子是異步電動機的轉動部分，它在定子繞組旋轉磁場的作用下獲得一定的轉矩而旋轉，通過聯(lián)軸器或皮帶輪帶動其他機械設備做功。轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸等部分組成。 3. 機座 機座是電動機的外殼和支架，它的作用是固定和保護定子鐵心、定子繞組并支撐端蓋，所以要求機座具有足夠的機械強度和剛度，能承受運輸和運行過程中的各種作用力。 中、小型異步電動機

19、通常采用鑄鐵機座，定子鐵心緊貼在機座的內壁，電動機運行時鐵心和繞組產生的熱量主要通過機座表面散發(fā)到空氣中去，因此，為了增加散熱面積，在機座表面裝有散熱片。 對大型異步電動機，一般采用鋼板焊接機座，此時為了滿足通風散熱的要求，機座內表面與鐵心隔開適當距離，以形成空腔，作為冷卻空氣的通道。 3.2 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設計 1)單片機　選用INTEL公司生產的8031單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，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

20、置等檢測信號；提供顯示電動執(zhí)行機構的工作狀態(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波的產生通常有模擬和數字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能；數字法是按照不同的數字模型用計算機算出各切換點，并存入內存，然后通過查表及必要的計算產生PWM波，這種方法占用的內存較大，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行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等功能，文中選用MITEL公司生產的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內

21、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)行機構體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機構主要適用功率小于5．5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數為0．75。經計算可知，選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。 4)位置檢測電路　位置檢測電路是執(zhí)行機構的重要組成部分，它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構中多采用繞線電位器、差動變壓

22、器、導電塑料電位器等。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。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點的，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字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，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。 5)電壓、電流及檢測　檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護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

23、用分壓電路。如圖2-2所示。 6)通訊接口　為了實現計算機聯(lián)網和遠程控制，選用MAX232作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232內部有兩個完全相同的電平轉換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉換為RS－232標準電平，把其它微機送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平給8031，實現單片機與其它微機間的通訊。 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據。 8)液晶顯示單元　為了實現人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊

24、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、通訊和參數等信號進行設置或調試。并采用文字和圖形相結合的方式，顯示直觀、清晰。 9)程序出格自恢復電路　為了保證在強干擾下程序出格時系統(tǒng)能夠自動地恢復正常，選用MAX705組成程序出格自恢復電路，監(jiān)視程序運行。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，使單片機產生一次復位，復位結束后，又由程序通過P1．0口向MAX705的WDI引腳發(fā)正脈沖，使WD

25、O引腳回到高電平，程序出格自恢復電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。 第4章 機電一體化中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，其中內環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)主要將當前速度與速度給定發(fā)生器送來的設定速度相比較，通過速度調節(jié)器改變PWM波發(fā)生器載波頻率，實現電機的轉速調節(jié)。速度調節(jié)器采用模糊神經網絡控制算法(具體內容另文敘述)。 外環(huán)主要根據當前位置速度的設定，通過速度給定發(fā)生器向內環(huán)提供速度的設定值。由于大流量閥執(zhí)行機構在運行過程中存在加速、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、當前位置以及運行速度有

26、關。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，當二者不相等時，以恒定加速度加速，減速點根據當前速度、閥位值、閥位給定值的大小計算得來。 執(zhí)行機構各階段運行速度的計算原理 圖3-2為執(zhí)行機構的典型運行速度圖，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)生改變的那一點稱為起始段點，相應的時間稱為段起始時間，如圖3-2中的t(i)(i＝0，1，2，……)，相應的速度稱為段起始速度，如圖3-2所示vi)(i＝0，1，2，…)。 設第i段速度的變化速率為ki，則有： 式中：Δv為兩段點之間的速度變化值，Δv＝vi＋1－vi； Δt為兩段之間的時間，Δt＝ti＋

27、1－ti。 顯然，當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、當前位置以及運行速度的大小確定。 第5章 關鍵技術問題的解決 該電動執(zhí)行機構采用了最新的變頻調速技術，電機驅動功率小于5．5kW。用戶可根據需要設定力矩特性，根據控制的閥設定速度，速度分多轉式、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成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運行方式、速度而定，并具有自動過流保護、過載保護、超壓、欠壓、過熱、缺相、堵轉等保護功能。 該執(zhí)行機構解決的關鍵性技術問題主要有： 1)閥門柔性

28、開關　柔性開關主要是為了當閥關閉或全開時，保證閥門不卡死與損傷。執(zhí)行機構內部的微處理器根據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。一旦輸出力矩達到或大于設定的力矩，自動降低速度，以避免閥門內部過度的撞擊，從而達到最優(yōu)關閉，實現過力矩保護。 2)閥位的極限位置判斷　閥位的極限位置是指全開和全關位置。在傳統(tǒng)執(zhí)行機構中，該位置的檢測是通過機械式限位開關獲得的。機械式限位開關精度低，在運行中易松動，可靠性差。在文中，電動執(zhí)行機構極限位置通過檢測位置信號的增量獲得。其原理是，單片機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，即認為己達到極限位置，立即切斷異

29、步電機的供電電源，保證閥門的安全關閉或全開。省去了機械式限位開關，無需在調試時對其進行復雜的調整。 3)電機保護的實現　為了防止電機因過熱而燒毀，單片機通過溫度傳感器連續(xù)檢測電機的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機溫度過高，自動切斷供電電源。溫度傳感器內置于電機內部。 4)準確定位　傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構在異步電機通電后會很快達到其額定動作速度，當接近停止位置時，電機斷電后，由于機械慣性，其閥門不可能立即停下來，會出現不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機反向轉動來校正。機電一體化的大流量電動執(zhí)行機構根據當前位置與給定位置的差值以及運行速度的大小超前確定減速點的位置及減速段變化速率k

30、i，使閥門在較低的速度下實現精確的微調和定位，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兩組獨立的正負電源。若運放A的反相端電位由于擾動而正向偏離虛地，則運放A輸出端的電位將降低，因而光電耦合器的發(fā)光強度將增強，則使其集射極電壓減小，最后使運放A反相端的電位降低，回到正常狀態(tài)。若A的反相端電位負向偏離虛地，也可以重回到正常狀態(tài)。從而增強了系統(tǒng)的抗干擾性。 第6章 機電

31、一體化中繼電器保護的現狀與發(fā)展 6.1 繼電保護發(fā)展現狀 電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術、計算機技術與通信技術的飛速發(fā)展又為繼電保護技術的發(fā)展不斷地注入了新的活力，因此，繼電保護技術得天獨厚，在40余年的時間里完成了發(fā)展的4個歷史階段。 　　建國后，我國繼電保護學科、繼電保護設計、繼電器制造工業(yè)和繼電保護技術隊伍從無到有，在大約10年的時間里走過了先進國家半個世紀走過的道路。50年代，我國工程技術人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設備性能和運行技術［1］，建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗的繼電保護技術隊伍，對全國繼電保護技術隊伍的建

32、立和成長起了指導作用。阿城繼電器廠引進消化了當時國外先進的繼電器制造技術，建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。因而在60年代中我國已建成了繼電保護研究、設計、制造、運行和教學的完整體系。這是機電式繼電保護繁榮的時代，為我國繼電保護技術的發(fā)展奠定了堅實基礎。 　　自50年代末，晶體管繼電保護已在開始研究。60年代中到80年代中是晶體管繼電保護蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時代。其中天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護，運行于葛洲壩500 kV線路上［2］，結束了500kV線路保護完全依靠從國外進口的時代。 　　在此期間，從70

33、年代中，基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生產、應用仍處于主導地位，這是集成電路保護時代。在這方面南京電力自動化研究院研制的集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作用［3］，天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的集成電路相電壓補償式方向高頻保護也在多條220kV和500kV線路上運行。 我國從70年代末即已開始了計算機繼電保護的研究［4］，高等院校和科研院所起著先導的作用。華中理工大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶大學和南京電力自動化研究院都相繼研制了

34、不同原理、不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定，并在系統(tǒng)中獲得應用［5］，揭開了我國繼電保護發(fā)展史上新的一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。在主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研制的發(fā)電機失磁保護、發(fā)電機保護和發(fā)電機?變壓器組保護也相繼于1989、1994年通過鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝置也于1991年通過鑒定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護也相繼于1993、1996年通過鑒定。至此，不同原理、不同機型的微機線路和

35、主設備保護各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置。隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果?？梢哉f從90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代。 6.2　繼電保護的未來發(fā)展 繼電保護技術未來趨勢是向計算機化，網絡化，智能化，保護、控制、測量和數據通信一體化發(fā)展。 6.2.1　計算機化 隨著計算機硬件的迅猛發(fā)展，微機保護硬件也在不斷發(fā)展。原華北電力學院研制的微機線路保護硬件已經歷了3個發(fā)展階段：從8位單CPU結構的微機保護問世，不到5年時間就發(fā)展到多CPU結構，后又發(fā)展到總線不出模塊的大模塊結構，性能大大提高，

36、得到了廣泛應用。華中理工大學研制的微機保護也是從8位CPU，發(fā)展到以工控機核心部分為基礎的32位微機保護。 南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎的微機線路保護，已得到大面積推廣，目前也在研究32位保護硬件系統(tǒng)。東南大學研制的微機主設備保護的硬件也經過了多次改進和提高。天津大學一開始即研制以16位多CPU為基礎的微機線路保護，1988年即開始研究以32位數字信號處理器(DSP)為基礎的保護、控制、測量一體化微機裝置，目前已與珠海晉電自動化設備公司合作研制成一種功能齊全的32位大模塊，一個模塊就是一個小型計算機。采用32位微機芯片并非只著眼于精度，因為精度受A/D轉換器分辨率的限

37、制，超過16位時在轉換速度和成本方面都是難以接受的；更重要的是32位微機芯片具有很高的集成度，很高的工作頻率和計算速度，很大的尋址空間，豐富的指令系統(tǒng)和較多的輸入輸出口。CPU的寄存器、數據總線、地址總線都是32位的，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務轉換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數部件都集成在CPU內。 電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能外，還應具有大容量故障信息和數據的長期存放空間，快速的數據處理功能，強大的通信能力，與其它保護、控制裝置和調度聯(lián)網以共享全系統(tǒng)數據、信息和網絡資源的能力，高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺PC機的功能。在

38、計算機保護發(fā)展初期，曾設想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。由于當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設想是不現實的?，F在，同微機保護裝置大小相似的工控機的功能、速度、存儲容量大大超過了當年的小型機，因此，用成套工控機作成繼電保護的時機已經成熟，這將是微機保護的發(fā)展方向之一。天津大學已研制成用同微機保護裝置結構完全相同的一種工控機加以改造作成的繼電保護裝置。這種裝置的優(yōu)點有：(1)具有486PC機的全部功能，能滿足對當前和未來微機保護的各種功能要求。(2)尺寸和結構與目前的微機保護裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。(3)采用STD總

39、線或PC總線，硬件模塊化，對于不同的保護可任意選用不同模塊，配置靈活、容易擴展。 繼電保護裝置的微機化、計算機化是不可逆轉的發(fā)展趨勢。但對如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進一步提高繼電保護的可靠性，如何取得更大的經濟效益和社會效益，尚須進行具體深入的研究。 結 束 語 在機電一體化控制中，該執(zhí)行機構集微機技術和執(zhí)行器技術于一體，是一種新型的終端控制單元，其電機是通過內部集成的一體化變頻器來控制，因此，同一臺智能執(zhí)行機構可以在一定范圍內具有不同的運行速度和關斷力矩。該智能執(zhí)行機構采用了液晶顯示技術，它利用內置的液晶顯示板，不僅可以顯示閥門的開、關狀態(tài)和正常運行時閥門的開度，還可以通過菜單選

40、擇運行參數設定，當系統(tǒng)出現故障時，能顯示出故障信息。總之，該執(zhí)行機構集測量、決斷、執(zhí)行3種功能于一體，順應了電動執(zhí)行機構的發(fā)展趨勢，它的研制成功給電動執(zhí)行機構的研究開發(fā)提供了新的思路。建國以來，我國電力系統(tǒng)繼電保護技術經歷了4個時代。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計算機技術、通信技術的進步，繼電保護技術面臨著進一步發(fā)展的趨勢。國內外繼電保護技術發(fā)展的趨勢為：計算機化，網絡化，保護、控制、測量、數據通信一體化和人工智能化，這對繼電保護工作者提出了艱巨的任務，也開辟了活動的廣闊天地。發(fā)展機電一體化，開發(fā)和生產有關的機電一體化產品。機電一體化產品功能強、性能好、質量高、成本低，且具有柔性，可根據市場需要和

41、用戶反映時產品結構和生產過程做必要的調整、改革，而無須改換設備。同時，可為傳統(tǒng)的機械工業(yè)注入新鮮血液，帶來新的活力，把機械生產從繁重的體力勞動中解脫出來，實現文明生產。 參考文獻 1 楊自厚． 人工智能技術及其在鋼鐵工業(yè)中的應用[Ｊ]．冶金自動化，1994（5） 2 唐立新.鋼鐵工業(yè)CIMS特點和體系結構的研究[Ｊ]．冶金自動化，1996（4） 3 唐懷斌． 工業(yè)控制的進展與趨勢 [Ｊ]．自動化與儀器儀表，1996（4） 4 王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中國科學技術大學出版社，1996 5 林行辛． 鋼鐵工業(yè)自動化的進展與展望[Ｊ]．河北冶金，1998（1） 6殷際英． 光機電一體化實用技術[Ｍ]．北京：化學工業(yè)出版社，2003 7 芮延年． 機電一體化系統(tǒng)設計[Ｍ]． 北京：機械工業(yè)出版社，2004． 附錄： 1 發(fā)動機工作原理圖 2 發(fā)動機結構圖 3 生產自動化原理圖