機電一體化智能大流量電動執(zhí)行機構

智能執(zhí)行機構從結構上主要分為控制部分和執(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。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(xiàn)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?？刂葡到y(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(shù)字兩種方法。模擬法電路復雜，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。（3）位置檢測電路。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(shù)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。（4）通訊接口。為了實現(xiàn)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(xiàn)單片機與其它微機間的通訊。 一、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(jù)需要設定力矩特性，根據(jù)控制的閥設定速度，速度分多轉式、直行程、角行程3種方式。該執(zhí)行機構解決的關鍵性技術問題主要有：一是閥門柔性開關。執(zhí)行機構內部的微處理器根據(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(xiàn)過力矩保護。二是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。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，即認為已達到極限位置，立即切斷異步電機的供電電源，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。三是電機保護的實現(xiàn)。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。四是準確定位。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(xiàn)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。五是模擬信號的隔離。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。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。 二、結論 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，還可以通過菜單選擇運行參數(shù)設定，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能顯示出故障信息?？傊?，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。