机电一体化论文杨帅

智能大流量电动行机构 摘要 提出一种新型电动执行机构的设计方案，详细介绍了该执行机构各功能元件的选型与设计、阀位及速度控制原理以及各种关键问题的解决方法。该执行机构将阀门、伺服电机制器合为一体，采用8031技术实现了阀门的动作速度和位置控制，解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置判断、电机模拟信号隔离等技术问题。现场运行情况表明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点。 在现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比，一旦出厂，这一速度固定不可调整，其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段，系统的安全性较差，不便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构，采用机电一体化技术，将阀门、伺腹点机、控制器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等控制。该电动执行机构省去了用于控制电机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的控制柜和配电柜，具有动作快、保护较完善、便于和计算机联网等优点。实际运行表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。

关键词：电动执行机构、阀门、位置控制 第一章 电动执行机构的硬件设计及工作原理 电动执行机构控制系统原理。智能执行机构从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。 控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变器、A/D、D/A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要 包括三相伺报电机和位置传感器。 系统工作原理： 霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。 控制系统各功能元件的选型与设计。

第一节 单片机 选用INTEL公司生产的8031单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号； MCS-518031单片机简介: 1.MCS-51 8031单片机内部结构及特点

图1-1为INTER MCS-51 8031单片机内部结构图 ①中央处理单元（8位）:数据处理、测试位，置位，复位,位操作; ②只读存储器（4KB或8KB）:永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM; ③随机存取内存（128B、128B SFR）:在程序运行时存储工作变量和资料; ④并行输入/输出口（I / O）（32条）:作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片; ⑤串行输入/输出口（2条）:串行通信、扩展I / O接口芯片; ⑥定时/计数器（16位、加1计数）:计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与CPU之间独立工作; ⑦时钟电路:内振、外振; ⑧中断系统:五源中断、2级优先。 结构特点：MCS-51系列单片机为哈佛结构（而非普林斯顿结构） 1）内ROM：4KB 2）内RAM：128B 3）外ROM：64KB 4）外RAM：64KB 5）I / O线： 32根（4埠，每埠8根） 6）定时/计数器：2个16位可编程定时/计数器 7）串行口：全双工，2 根 8）寄存器区：工作寄存器区、在内128B RAM中，分4个区， 9）中断源：5源中断，2级优先 10）堆栈：最深128B 11）布尔处理机：位处理机，某位单独处理 12）指令系统：五大类，111条。 MCS-58031单片

2 单片机外部引脚

图1-2 2为INTER MCS-51 8031单片机外部引脚结构图 1)、主电源引脚：Vss、Vcc。 2)、外接晶振引脚：XTAL1 、 XTAL2。 3)、控制或复位引脚： RST / VPD 两个机器周期高电平，单片机复位。 P0-P3 口：输出高电平 SP ： 07H SFR、PC： 清0不影响内RAM状态，机器从0地址开始执行。 ALE / PROG ：地址锁存控制端提供1/6 fosc振荡频率，输入编程脉冲EPROM PSEN：外部程序内存的读选通信号端。EA / VPP：EA = 1 ，访问内部程序内存当PC值超过内ROM范围（0FFFH）时，自动转执行外部内存的程序EA = 0 ， 只访问外部程序内存。对8751机，可施加21V编程电源（Vpp） 4)、输入/输出引脚：P0-P3：四个I / O口，每口8线，共同32线。

第二节 相PWM波发生器 三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA8282是专用大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息

ＳＡ８２８２的功能特点 ＰＷＭ控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断,以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形并使其逼近正弦电压波形。其方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比较复杂,且有温漂现象，会影响精度,降低系统的性能。数字方法则是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存,然后通过查表及必要的计算生成ＰＷＭ波，因此数字方法受内存影响较大,且与系统精度之间存在着矛盾。ＳＡ８２８２是英国ＭＩＴＥＬ公司生产的全数字化三相ＰＷＭ发生器，它频率范围宽、精度高，并可与微处理器进行接口,同时能够完成外围控制功能,因而可实现智能化。ＳＡ８２８２中的每相输出控制电路均由脉冲取消和脉冲延时电路构成。脉冲取消电路用于去掉脉冲宽度小于取消时间的脉冲，以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。延时电路可保证死区间隔，其作用是在改变任一相中两个开关器件的状态时提供一个较短的延迟时间，以使这段时间里的两个开关都处于关状态，从而防止在转换瞬间桥臂开关元件出现共通（两个开关在状态转换期间造成直通短路）现象。在软件的主程序中ＳＡ８２８２初始化命令和控制命令的参数计算及设置主要用来确定频率调节范围、死区时间、输出电压幅值和中心频率等。软启动决定着系统开机时输出电压由低逐渐升高的缓变过程。电压、频率调整主要是将Ａ／Ｄ转换的数据经计算处理后去控制ＳＡ８２８２输出的电压和频率。过载保护程序的作用是 在外接负载达到额定负载的１２０％时,能使系统在延时一段时间后关闭ＳＡ８２８２，以达到关断ＩＧＢＴ输出的目的。短路保护程序可在外接负载大于额定负载２００％时,立即关闭系统。由于本电路采用ＭＣＳ－５１单片机及三相ＰＷＭ集成电路ＳＡ８２８２来进行设计,因而其控制电路大为简化,器件减少，结构紧凑，同时也进一步降低了成本,提高了可靠性。

第三节 智能逆变模块IPM

智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。该执行机构主要适用功率小于5．5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0．75。经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件。 智能功率模块(Intelligent Power Module,IPM)以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小等优点在电力电子领域得到越来越广泛的应用。以PM200DSA060型IPM为例。介绍IPM应用电路设计和在单相逆变器中的应用。

2 IPM的结构 IPM由高速、低功率IGWT、优选的门级驱动器及保护电路构成。其中,IGBT是GTR和MOSFET的复合,由MOSFET驱动GTR,因而IPM具有GTR高电流密度、低饱和电压、高耐压、MOSFET高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。根据内部功率电路配置情况,IPM有多种类型,如PM200DSA060型：IPM为D型(内部集成2个IGBT)．其内部功能框图如图1-3所示,内部结构如图1-4所示。内有驱动和保护电路,保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护,当其中任一种保护功能动作时。IPM将输出故障信号FO。