機電一體化智能大流量電動執(zhí)行機構【論文摘要】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(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、極限位置判斷、電機保護及模擬信號隔離等技術問題。現(xiàn)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訊等優(yōu)點。 1 引言 在現(xiàn)代化生產(chǎn)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(xiàn)有的國產(chǎn)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(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(wǎng)。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。隨著計算機網(wǎng)絡、現(xiàn)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(chǎn)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(qū)動閥門的開與關。通過內(nèi)置變頻器，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)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(wǎng)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。 2 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部分和執(zhí)行驅(qū)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(qū)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(jīng) 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(chǎn)生的 PWM 波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊 IPM，實現(xiàn)電機的變頻調(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 電源進行全橋整流得到。 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(chǎn)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(chǎn)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(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(chǎn)的 SA8282 作為三相 PWM 發(fā)生器。SA8282 是專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，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55kW 的三相異步電機，其額定電壓為 380V，功率因數(shù)為 075。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。 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 050Hz，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)計算機聯(lián)網(wǎng)和遠程控制，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換電路，可以把 8031 串行口輸出的 TTL 電平轉換為 RS232 標準電平，把其它微機送來的 RS232 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。 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、通訊和參數(shù)等信號進行設置或調(diào)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)楦唠娖剑_ 2 電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈沖，使單片機產(chǎn)生一次復位，復位結束后，又由程序通過 P10 口向 MAX705 的 WDI 引腳發(fā)正脈沖，使 WDO 引腳回到高電平，程序出格自恢復電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。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(diào)節(jié)器改變 PWM 波發(fā)生器載波頻率，實現(xiàn)電機的轉速調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法(具體內(nèi)容另文敘述)。 外環(huán)主要根據(jù)當前位置速度的設定，通過速度給定發(fā)生器向內(nèi)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(jù)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)(i0，1，2，)，相應的速度稱為段起始速度，如圖 3-2 所示 v(i)(i0，1，2，)。設第 i 段速度的變化速率為 ki，則有：式中：v 為兩段點之間的速度變化值，vvi1vi； t 為兩段之間的時間，tti1ti。 顯然，當 ki0 時為恒速段，ki0 時為升速段，ki0 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。4 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(diào)速技術，電機驅(qū)動功率小于55kW。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?？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(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。一旦輸出力矩達到或大于設定的力矩，自動降低速度，以避免閥門內(nèi)部過度的撞擊，從而達到最優(yōu)關閉，實現(xiàn)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(diào)試時對其進行復雜的調(diào)整。 3)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。溫度傳感器內(nèi)置于電機內(nèi)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(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。機電一體化的大流量電動執(zhí)行機構根據(jù)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 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。5 結束語 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(nèi)部集成的一體化變頻器來控制，因此，同一臺智能執(zhí)行機構可以在一定范圍內(nèi)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(nèi)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搱?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。 參考文獻 1 鄧 兵，等數(shù)字閥門電動執(zhí)行機構J自動化儀表，2001(1) 2 Liu JianhouThe research on reliability and environmentadaptability of electric control valve used in unclear powerstationJMaintainability and Safety，vol2，Dalian，China，2831 August2001 3 Antsaklis PJIntelligence andlearningJIEEEControl Syst Mag，1995(15) 4 王福瑞，等單片機微機測控系統(tǒng)設計大全M北京航空航天大學出版社，1999，9249 5 陳玉紅一種簡單實用的線性光隔離放大器J漳州師范學院學報(自然科學版)，1999(4)