（电气工程专业论文）基于多微处理器的智能型电动执行机构.pdf

i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rb a s e d o n m u l t i m i c r o c o n t r o l l e ru n i t at h e s i ss u b m i t t e dt os o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y f e ix i a n g j u n s u e d s e d bysupervisedb y p r o f l i nm i n g y a o a n d l i uw e i j u n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y o c t o b e r ，2 0 0 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：翱孚日期：趔丛s ：堕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二雠导师签名： i 基于多微处理器的智能型电动执行机构 摘要 电动执行机构是工业自动化系统中的执行单元，用来控制各类阀门开启、关 闭以及自动调节。随着计算机、数字信息和网络通讯技术的发展，工业自动化已 进入计算机时代，并正向数字化和智能化方向发展，系统对电动执行机构的位置 精度、动态特性等性能指标，以及智能与通讯等方面的功能要求越来越高。 本文在分析电动执行机构的结构和工作原理的基础之上，提出了基于多微处 理器的智能型电动执行机构的总体方案。在硬件设计中采用多微处理器的系统硬 件架构，每个微处理器控制一个功能模块，并设计了相应的外围功能电路。系统 软件由各个微处理器软件组成，相互之间通过i i c 总线进行数据交换。 在电机驱动与控制方面，设计了执行机构专用固态继电器，采用软硬件相结 合的电机控制与能耗制动技术；在位置检测与控制方面，设计了专用数字式位置 传感器和位置死区自适应算法，实现了执行机构位置的精确控制。此外，在执行 机构中加入了智能数据记录、智能故障检测和智能电源检测等智能功能，以及无 线蓝牙通信功能，并开发了手持智能设备的应用软件，使得执行机构与手持智能 设备之间建立起无线通信平台，进行双向数据传输。 【关键词】电动执行机构微处理器i i c 总线固态继电器智能蓝牙 i v i n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o rb a s e do nm u l t i m i c r o c o n t r o l l e ru n i t a b s t r a c t e l e c t r i ca c t u a t o ru s e dt oc o n t r o lv a r i o u st y p e so fv a l v e st oo p e n ，c l o s ea n d a d j u s ta u t o m a t i c a l l y , i sae x e c u t i o nu n i ti ni n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e m s a st h e d e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t e r , d i g i t a l i n f o r m a t i o na n d t e c h n o l o g yo fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，t h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e m sh a v ec o m ei n t ot h ep e r i o do f c o m p u t e ra n db e i n gd i g i t a la n di n t e l l i g e n t n es y s t e mn e e d sh i g h e rf u n c t i o n so n ，s u c h 舔t h e a c c u r a c y o ft h e l o c a t i o n , d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e l l i g e n c ea n d c o m m u n i c a t i o n 1 1 1 et h e s i sn o to n l ya n a l y z e st h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ee l e c t r i c a c t u a t o r , b u ta l s oc o m e su p 、杭n 1ao v e r a l ls o l u t i o no ft h ei n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r b a s e do nm u l t i - m i c r o c o n t r o l l e rt m i t ( m c u ) 1 1 1 ea u t h o ru s e st h es y s t e mh a r d w a r e a r c h i t e c t u r eo ft h em u l t i m c ui nt h ed e s i g no fh a r d w a r e e a c hm i c r o c o n t r o l l e ru n i t c o n t r o l so n ef u n c t i o nm o d u l ew i t hc o r r e s p o n d i n gp e r i p h e r a lf u n c t i o n a lc i r c u i t t h e s o t t w a r eo ft h es y s t e mi s c o m p o s e do fm a n ym i c r o c o n t r o l l e r u n i ts o f t w a r e s e x c h a n g i n gt h ed a t a sb ym e a n so fi i cb u sb e t w e e ne a c ho t h e r i nt e r m so fm o t o rd r i v ea n dc o n t r o l ，t h ed e s i g n e rc h o o s e st h ed e d i c a t e ds o l i ds t a t e r e l a yo ft h ee l e c t r i ca c t u a t o ra n du s e st h et e c h n o l o g yo f m o t o rd r i v ea n dd y n a m i c b r a k i n gw i t hac o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o u p l e dw i t ht h ed i g i t a l p o s i t i o ns e n s o ra n dt h ea d a p t i v ea l g o r i t h mo ft h ed e a d z o n eo ft h ep o s i t i o no nt h e p o s i t i o nd e t e c t i o na n dc o n t r o l ，t om a k et h ep o s i t i o no ft h ee l e c t r i ca c t u a t o rm o r e a c c u r a t e f u t h e r m o r e ，t h ei n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o ra l s ot a k e sp o s s e s s i o no ft h e f u n c t i o n so fr e c o r d i n gt h ed a t a , d e t e c t i n gt h ee r r o r s ，d e t e c t i n gp o w e ri n t e l l i g e n t l ya n d w i r e l e s sb l u e t o o t h 硼1 ed e s i g n e ra l s od e v e l o p e da p p l i c a t i o n sa b o u th a n d h e l ds m a r t d e v i c e s ，w h i c hc a nb u i l dap l a t f o r mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ee l e c t r i c a c t u a t o rt ot r a n s m i td a m sb o t hs i d e s 【k e yw o r d s e l e c t r i ca c t u a t o r ；m c u ；i i cb u s ；s o l i ds t a t er e l a y ； i n t e l l i g e n t ： b l u e t o o t h v 目录 中文摘要 英文摘要v 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究概况1 1 3 电动执行机构发展趋势3 1 4 本文的主要内容4 第二章电动执行机构6 2 1 基本结构与工作原理6 2 2 电动执行机构分类7 、 2 3 电动执行机构主要技术参数8 2 4 阀门电机9 2 5 机械传动部分1 0 2 6 电气控制部分1 1 2 7 本章小结1 l 第三章基于多微处理器的智能型电动执行机构1 2 3 1 结构组成与工作原理1 2 3 2 技术参数与特点i 1 3 3 3 电气控制部分硬件结构1 5 3 4 系统硬件设计1 7 3 5 系统软件设计2 5 3 6 本章小结2 7 第四章执行机构精确位置控制的实现2 8 4 1 执行机构的位置控制2 8 4 2 位置信号检测2 9 4 3 电机驱动元件3 2 4 4 电机控制3 7 4 5 电机制动4 0 4 6 位置闭环控制策略4 1 4 7 本章小结4 4 v i 第五章执行机构的智能功能4 5 5 1 智能数据记录4 5 5 2 智能故障检测4 6 5 3 智能电源检测4 8 5 4 智能电池电压检测和电池充电5 2 5 5 本章小结5 3 第六章执行机构智能无线通信的实现5 4 6 1 系统结构5 4 6 2 系统硬件5 4 6 3 系统软件5 6 6 4 本章小结6 0 第七章结论6 1 参考文献6 2 致谢6 5 论文原创性声明6 6 i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电动执行机构是工业自动化系统中的执行单元，控制各类阀门开启、关闭以 及自动调节，广泛应用于电力、石油、冶金、化工等行业的压力、温度、流量控 制。近些年来，随着控制、计算机、网络通讯和数字信息技术的发展，工业自动 化已进入计算机时代，并正向网络化和智能化方向发展。电动执行机构的上方控 制系统数字化和信息化程度越来越高，对电动执行机构的精度、动态特性和功能 等方面的要求也越来越高，如友好的人机界面、精确定位、故障诊断、通讯功能 等等。 为了更好的适应工业自动化发展的需要，我们研制了基于多微处理器的智能 型电动执行机构。它集机械传动、电机驱动与控制、传感器、嵌入式控制系统和 通讯等技术于一身，是高度智能、先进的机电一体化工业现场设备。它采用先进 的电机驱动与控制策略，使得电机运行快速可靠；采用高精度数字式位置传感器 和先进的位置控制方法，使得执行机构定位更为精确；智能技术的应用，使得执 行机构拥有故障自诊断、运行数据记录等智能功能；蓝牙技术的应用，使得执行 机构具备了无线通讯技术功能。基于多微处理器的智能型电动执行机构不仅符合 当今工业自动化系统的要求，也适应了执行机构未来发展的需要。 1 2 国内外研究概况 1 9 2 9 年美国l i m i t o r q u e 公司制造出世界上第一台电动执行机构，从此电 动执行机构进入工业自动化领域，并且伴随着科学技术的发展和自动化控制系统 的进步不断发展完善。 早期的电动执行机构以机械部件为主，主要由电机、机械传动部分和位置、 转矩信号开关组成。机械传动部分体积庞大、重量重；位置、转矩信号多通过机 械传动转变为开关接点信号输出，结构复杂、精度较低，调试与维护繁琐。由于 自身无控制回路，因此必须将电机与位置、转矩信号接入外部专用电气控制柜方 能完成对电动执行机构的驱动与控制。 2 0 世纪七、八十年代，随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，可 编程序控制器( p l c ) 的出现，使得集中式与分散式相结合的分散型控制系统( d c s ) 东南大学工程硕士论文 应运而生。d c s 是以集中显示操作、分散控制为特征的集散系统，它要求工业现 场设备如变送器、电动执行机构等，能直接接收系统发出的开关量或模拟量信号 来运行，并反馈给系统一些能代表设备运行状态信息的开关量或模拟量信号。因 此要求电动执行机构自身带有电气控制部分，接受d c s 系统的控制信号，控制电 动执行机构运行。从这一阶段开始，电动执行机构成为机电一体化的现场设备。 上世纪末，随着计算机网络技术的发展，企业对综合自动化和管理现代化 的要求不断提高，工业自动化系统逐渐向数字化网络化方向发展。电动执行机构 自身采集的信息和反馈给系统的信息量很少，使得控制系统中的不少故障诊断、 状态检修和性能优化等监控和管理功能不能发挥应有的作用。随着自动化水平的 提高以及人员的减少，人们对电动执行机构的性能、可靠性以及调试及运行维护 的方便性提出了更高的要求，这就对由电动执行机构提出了更高的要求。传统以 模拟电子器件为主的电动执行机构控制部分，已经很难满足需要，单片微处理器 ( m c u ) 的出现以及嵌入式控制系统技术的发展很好的解决了这些问题。这一时 期，以单片微处理器为核心的电动执行机构开始出现，并逐渐成为市场主流。单 片微处理器的应用，使得电动执行机构由原有的硬件控制变成了软件控制，使电 动执行机构从单一的现场执行单元转变为数字化的现场设备。 目前国内电动执行机构多为机电一体化设备。电机多采用三相异步电机；机 械传动部分采用蜗轮蜗杆减速传动方式；位置传感器普遍采用机械式或模拟信号 方式，精度较低，现场调试复杂。执行机构电气控制部分中，单片微处理器得到 应用，但大多采用8 位单片微处理器，运行速度慢，数据流量有限，数据存储容 量小。执行机构人机界面多采用数码管或段位式液晶显示器，只能显示数字和字 符，无中文显示，操作时要和说明书对照，很不方便。国内电动执行机构控制功 能较为简单，故障自诊断类型少，无运行数据记录、响应阈值自适应等智能功能。 另外通讯功能也较为单一，无智能遥控器对执行机构进行调试与操作。 目前国外发达国家的电动执行机构产品与国内产品相比，体积小，机械传动 部分更为简化，定位更准确，操作与调试更为简便，更加人性化。就地操作采用 非接触感应元件，现场调试无需打开任何罩盖；采用数字式位置传感器对阀门位 置进行精确监测；具有良好的人机界面，多采用高清晰度、高对比度的液晶显示 器显示，方便用户进行设置与调试；能使用红外遥控器对执行机构进行调试、操 2 第一章绪论 作或参数设置与查询；具备故障自诊断功能和运行数据记录功能，方便用户及时 快速地处理故障，掌握设备运行状态；具有多种现场总线通信接口，如m o d b u s 、 p r o f i b u s 和f f 等。近些年来在国外某些产品上变频调速技术也有一些应用，它 通过改变电动机电源频率实现电机速度调节，从而改变电动执行机构的输出转 速，但其控制部分较为复杂，成本较为昂贵，应用领域相对较窄。 1 3 电动执行机构发展趋势 近些年来随着微电子、微机控制和数字通讯技术的发展，电动执行机构在原 有功能的基础上，正朝着数字化、智能化、网络化、小型化和人性化方向发展。 新型高速大带宽单片微处理器的出现，数字式位置传感器的应用，使得电动执行 机构控制部分实现完全数字化成为可能。全数字化的实现，使得最优控制、人工 智能、模糊控制、神经元网络等一些现代控制理论的先进算法得到应用，使得控 制系统与现场设备之间进行双向数据传输成为可能。 未来工业控制系统要求现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，并 可以由现场设备组成自治的控制网络。电动执行机构未来的发展具有以下特点： 首先具备一个强健的大脑单片微处理器。随着各种智能功能的增加，电 动执行机构控制系统对m c u 的运行速度、数据处理能力、内存容量和内部集成的 接口电路要求越来越高，8 位m c u 已不能满足需要。随着大规模集成电路技术的 发展，3 2 位m c u 将逐渐成为主流，它的运行速度更快，数据带宽大大增加，具 有超大的内存容量，内部集成的接口电路越来越多。由于拥有众多资源，使得在 m c u 中嵌入多任务实时操作系统( r t o s ) 成为可能。r t o s 与以往前后台系统相 比，具有更理想的实时性，m c u 利用率高，系统可将电动执行机构各种功能根据 优先级划分成若干任务，建立一个通用的操作平台，根据需要添加和删除各功能 模块，使得程序模块化程度更高。 其次具备多样的信号与通信接口。随着执行机构智能化与功能自主性的增 强，执行机构要能对自身运行状态和外部运行环境要有较强的感知能力。例如 能感知外部环境温度、湿度和振动的变化，并根据这些变化做出相应的操作，使 得执行机构处于最佳工作状态。执行机构要能接受温度、压力和流量等信号，在 必要时组成自治的控制回路。为适应未来上方控制系统数字化、信息化的发展， 东南大学工程硕士论文 执行机构要具备完备的通信接口，要预留足够的硬件和软件空间，以适应不同传 输介质和通信协议的需要。 第三，具备远程组态和监控平台。未来用户对执行机构调试的简易化要求越 来越高，有必要给用户提供一个在远程进行组态的平台，并通过通信或手持式遥 控器传送给电动执行机构，该平台能和执行机构进行双向的数据传送，便于用户 进行实时监控和故障诊断。 最后，执行机构要拥有更低的能耗。未来能源的价格呈上升趋势，因此在满 足性能要求的前提下应尽可能的提高电机和机械传动部分的效率，降低电气控制 部分的功耗，从而降低执行机构的能耗，适应未来低碳经济的需要。 1 4 本文的主要内容 通过对国内外电动执行机构的分析和研究发现，国内正在使用的各种电动执 行机构普遍存在设备庞大，结构匹配不合理，控制精度低，缺乏完善的故障处理 和报警功能，人机对话接口不方便等缺陷，已不能适应现代工业自动化发展的要 求。国外厂商相继开发的新一代智能型电动执行机构，虽然性能较好，但价格昂 贵，且与国内系统兼容性不好，售后服务不完善，零部件配套困难。因此开发性 能先进、功能完善的新一代智能型电动执行机构，对我国工业自动化系统的发展 具有重要意义。 第二章，主要分析电动执行机构的基本结构、工作原理、分类、基本技术参 数，明确一些基本概念和术语，并分析阀门电机、机械传动部分和电气控制部分 的结构与性能特点。 第三章，研究基于多微处理器的智能型电动执行机构的结构组成与工作原 理，设计系统电气控制部分的硬件架构，分析了采用多个单片微处理器的原因及 优点，以及各个主要硬件功能模块的结构和工作方式，最后给出了系统软件的框 架和主程序的工作方式。 第四章，研究基于多微处理器的智能型电动执行机构的精确位置控制。着重 分析了影响执行机构精确位置控制的位置传感器和位置检测模块，采用固态继电 器作为电机驱动元件的原因，并设计了适用于执行机构的固态继电器，以及固态 继电器驱动电机的电路和电机可靠制动的方法；设计了针对执行机构精确位置控 4 第一章绪论 制的死区自适应智能位置控制算法。 第五章，设计基于多微处理器的智能型电动执行机构的多个智能化功能，主 要包括智能数据记录、智能故障检测、智能电源检测和智能电池电压检测及电池 自动充电。 在第六章，设计基于多微处理器的智能型电动执行机构的无线智能通信功 能，采用无线蓝牙技术，实现与执行机构与手持智能设备之间的通讯和双向数据 传输。 新型智能型电动执行机构的成功开发，有助于提高我国电动执行机构的产品 技术水平，也有利于提高生产控制的自动化水平，最终实现生产过程的智能化： 东南大学工程硕士论文 第二章电动执行机构 2 1 基本结构与工作原理 电动执行机构是一种机电一体化的现场设备，它主要由电机、机械传动部分 和电气控制部分组成。它以电动机作为动力源，电气控制部分接受上方控制系统 控制信号，驱动与控制电机运行，电机带动机械传动部分，将电机转子的旋转运 动转换成相应的机械位移，控制各类阀门内部截流件的位置或其它调节机构的装 置，具体结构如图2 - i 所示。 图2 - 1电动执行机构结构示意图 卜阀门电机；2 一正齿轮；3 一蜗杆部件；4 一手轮；5 一切换手柄；6 一输出轴部件； 7 一主箱体；8 一转矩曲拐：9 一转矩传感器；1 0 一连接法兰；1 1 一电气控制组件 1 2 一人机接口；1 3 - 接线端子盒；1 4 - 驱动元件；1 5 一位置传感器；1 6 一行程轴 图中，阀门电机为动力源；正齿轮、蜗杆部件、输出轴部件、主箱体、连接 法兰、行程轴和转矩曲拐组成机械传动部分，输出轴部件通过连接法兰与阀门相 连，带动阀门运行；手轮、切换手柄为手动操作部件；位置传感器将电动执行机 构的机械位置转换为电信号供电气控制部分使用，以实现位置控制；转矩传感器 将电动执行机构所承受的力转换成电信号供电气控制部分使用，以保护阀门和电 动执行机构：电气控制组件、人机接口、驱动元件、接线端子盒组成电动执行机 构的电气控制部分，控制电动执行机构运行。 6 第二章电动执行机构 2 2 电动执行机构分类 电动执行机构根据应用场合、机械接口、控制模式的不同进行分类。 2 2 1 按应用场合分类 1 ) 常规型电动执行机构，工作在一般常规工况环境下，环境条件如下： 海拔：1 0 0 0 m ； 工作环境温度：一2 0 - - - + 7 0 ； 工作环境相对湿度：9 5 ( 2 5 时) ； 工作环境不含有强腐蚀性、易燃易爆的介质。 2 ) 隔爆型电动执行机构，其工作环境中含有易燃易爆的介质。电动执行 机构应具有完整的防爆结构，其内部火花、内爆不能传到电动执行机 构以外的空间，从而引起外部易燃易爆的介质燃烧或爆炸。主要应用 于石化、燃气等高危场合，防爆性能符合g b 3 8 3 6 2 爆炸性环境用防 爆电气设备，隔爆型电气设备“d 的规定，防爆标志为d i ib t 4 ，d i i c t 4 适用于有i i 类a 、b 、c 级，t 1 、t 2 、t 3 、t 4 组可燃性气体与空 气形成的爆炸性混合物的场所。 3 ) 核级电动执行机构，主要应用于核反应堆或核电厂等核能领域。它因 为环境特殊，对安全性要求极高，参照e j t 1 0 2 2 11 压水堆核电用阀 门电动装置标准产品可分为： k 1 类安装在核反应堆安全壳以内，在正常的环境条件下和在 s l 2 ( 安全停堆地震动) 载荷下以及在事故期间或事故之后仍能够 执行规定的功能； k 2 类安装在核反应堆安全壳以内，在正常的环境条件下和在 s l 2 ( 安全停堆地震动) 载荷下仍能执行规定的功能； k 3 类安装在核反应堆安全壳以外，在正常的环境条件下和在 s l 2 ( 安全停堆地震动) 载荷下仍能执行规定的功能。 此类电动执行机构必须经过严酷的核辐照、热老化、抗震和寿命等试 验，并取得相应资质方能投入生产、销售和运行。 2 2 2 按机械接口分类 1 ) 多回转电动执行机构，执行机构输出轴的转动角度必须大于3 6 0 。，才 7 东南大学工程硕士论文 能完成被控对象的全行程运行； 2 ) 直行程电动执行机构，执行机构输出位移为直线运动： 3 ) 角行程电动执行机构，执行机构的转动角度必须小于3 6 0 。( 通常是 9 0 。) ，就能完成被控对象的全行程运行。 2 2 3 按控制模式分类 1 ) 开关型电动执行机构。是指执行机构要么处于全关位置，要么处于全 开位置，且在两次启动之间有足够的停止时间，以使电机冷却至正常 温度，动作次数小于6 0 次川、时，一般适用于开环控制系统； 2 ) 调节型电动执行机构。是指执行机构处于频繁动作状态，动作次数可 达1 2 0 0 次4 , 时，一般适用于闭环控制系统。 2 3 电动执行机构主要技术参数 电动执行机构是实现位置控制和转矩保护的现场设备，因此其主要技术参数 都与位置与转矩有关，主要有以下参数： 1 ) 电动执行机构输出轴的位置重复偏差应符合表2 1 的规定； 表2 1 位置重复偏差 电动执行机构类型位置重复偏差( 。) 多回转 5 部分回转 1 2 ) 电动执行机构控制转矩的重复精度应符合表2 - 2 的规定； 表2 - 2 控制转矩重复精度 电动执行机构类型控制转矩重复精度 多回转7 部分回转1 0 3 ) 电动执行机构的基本误差应不大于1 0 9 6 。基本误差是指在规定的参数条件 下，实际的行程特性曲线与规定的行程特性曲线之间的最大差值，以额定行 程的百分数表示； 4 ) 电动执行机构的回差应不大于1 0 9 6 。回差是指在额定行程范围内，同一输入 8 第二章电动执行机构 信号上升和下降的两个相应行程值间的最大差值，以额定行程的百分数来表 示； 5 ) 电动执行机构的死区应不大于输入指令信号量程的1 0 。死区是指输入信号 正反方向变化不致引起行程有任何变化的有限区间，以信号值范围的百分数 来表示； 6 ) 电动执行机构的阻尼特性应不大于3 次半周期。 2 4 阀门电机 电动执行机构电动机的选配是依据阀门的工作特性所决定的，通常都是三相 异步电动机，这主要是由于在不同结构形式的电动机中，三相异步电动机的构造 简单、效率高、运行可靠且价格较低。 阀门工作时，只在开启和关闭的整个过程中的某一瞬间产生最大的负荷，如 截止阀与锲形闸阀是在开启和关闭的瞬间产生最大负荷，而在开阀和关阀过程 中，负荷相对而言较小。根据阀门的工作特性设计的电动执行机构用电动机称之 为阀门电机。阀门在不同工作模式下对电动执行机构电动机的要求有所区别，主 要有开关型电机和调节型电机。 2 4 1 开关型电机的特点 1 ) 电机启动转矩大。对于阀用电机来说，启动转矩是电动执行机构选择电动机 功率的重要依据。当已知操作阀门的最大转矩和电动执行机构的输出转速， 可以按式( 2 1 ) 计算电动机的功率： p ：丝兰!( 2 一1 ) 9 7 4 k 7 7 式中：肿电动执行机构输出的公称转矩或最大控制转矩( k g f m ) n - - - 一电动执行机构额定输出转速( r r a i n ) n 一电动执行机构的机械传动效率( n = o 3 5 - - 0 5 ) k 一电机的利用系数( 2 7 0 1 ) p 一一电机功率( k w ) 一般情况下设计选择k = 2 ，其目的让电机有一定的余度，以备在故障情况下 依靠电机的潜力来打开或关闭阀门。 2 ) 电机转动惯量小。当阀门整定好开向、关向终端位置后，电动执行机构在关 9 东南大学工程硕士论文 断时，只要断电电机应立即停转，惰走现象越小越好，即电机转动惯量要小， 否则就会使转矩超过规定值并迅速上升，另外阀门的位置也可能改变。如惯 量较大会影响到再次开启阀门时不能顺利开启，也有可能会损坏阀门密封面 或阀门本体。 3 ) 电机工作制式为短时工作制s 2 。开关型阀门工作频率较低，有的一年才操作 一次或几次，而每次操作的全程时间一般为3 0 - 4 0 秒，大口径阀门( d n 1 0 0 0 m m ) 的全程时间为1 4 0 - 2 0 0 秒，对于更大口径的阀门全程时间也不超过 l o 分钟，因此对开关型电动执行机构，所选配电机的工作制式为s 2 短时工 作制，工作时间为1 0 - 1 5 分钟，可以使电机有足够的散热时间，这种类型电 机的结构设计没有风扇，采用自然散热方式。 4 ) 电机热保护。开关型电机在其内部可以加装热敏元件，在电机内部温度过高 时保护电机。 2 4 2 调节型电机的特点 调节型阀门具有频繁工作的特性，因此也要求调节型电机能频繁动作，所以 调节型电机工作制式为s 4 或s 5 周期性断续工作制，允许最大工作次数为 1 2 0 0 c h ，最小负载持续率为1 0 ，以适应调节阀对介质的流量、温度、压力等 参数调节的需要。电机转动惯量要小，以使电动执行机构位置变化小，保证定位 精度。电机结构设计具有散热的效果，内部有热敏元件在电机内部温度过高时保 护电机。 2 5 机械传动部分 电动执行机构的机械传动方式主要有圆柱正齿轮传动和蜗轮蜗杆传动两种 方式。正齿轮传动方式比其他传动方式在布置上更为紧凑，效率较高。在润滑良 好的条件下，机械损耗小于1 。为了改善啮合，减少传动中产生的噪音和提高 机械强度，常采用斜齿。齿轮传动速比i 如式( 2 - 2 ) 所示。 z = 瓦z 1 = 型型黠赫糕堂塑 协2 ， i = = 一= ：一 厶一厶， z 2被动齿轮的齿数 目前在电动执行机构中，主传动大多采用蜗轮蜗杆传动方式。蜗轮蜗杆传动 的优点是结构紧凑、传动平稳、无噪音、速比高，传动比i = 7 8 0 ；缺点是效率 低，特别是对于具有自锁性能的蜗轮蜗杆传动方式，效率一般为0 3 - - - 0 5 。 1 0 第二章电动执行机构 电动执行机构一般都具有手动操作部件( 手轮) ，以便在紧急情况下手动打 开或关闭阀门。 2 6 电气控制部分 电气控制部分是电动执行机构的核心部分，是上方控制系统与电动执行机 构电机与机械传动部分的桥梁。它接受上方控制系统的控制指令，并将其转换为 相应的电机动作，带动机械传动部分工作；与此同时它接收执行机构位置和转矩 传感器信号，完成电动执行机构的位置控制和转矩保护，并将电动执行机构相关 的运行状态、故障等信息反馈给上方控制系统。 电动执行机构的电气控制部分主要由m c u 、信号输入输出部分、电源部分、 驱动元件、人机接口和传感器部分组成。它以m c u 为核心，配合人机界面、信号 输入输出、电机驱动等其它外围电路，通过m c u 内部程序控制整个系统运行。 m c u 芯片上集成了一个功能简化的计算机系统( c p u ，内存，并行总线等) ，并扩 展了片内输入输出接口、a d 转换等其它接口电路，具有体积小、功耗低、控 制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，已在电动执行机构上广泛采用。 驱动元件是指控制电机正向、反向旋转运行的元件，通常使用交流接触器，也有 少量使用固态继电器( s s r ) 或绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 。人机接口是指运 行、调试和维修时所用到的人机交互接口，主要有按钮、灯光和显示器。传感器 部分是指将电动执行机构的位置、转矩等物理量转换为电信号供控制部分使用的 装置，如机械式的位置计数器、旋转电位器等。 2 7 本章小结 本章主要分析电动执行机构的基本结构与工作原理，明确执行机构的一些基 本概念和术语，及其分类和基本技术参数，并分析了阀门电机、机械传动部分和 电气控制部分的结构与性能特点。 东南大学工程硕士论文 第三章基于多微处理器的智能型电动执行机构 3 1 结构组成与工作原理 3 1 1 结构组成 智能型电动执行机构是指配有内嵌微处理器的功率控制单元，具有故障自诊 断、运行数据记录、人机对话和现场组态等功能，并可加装数字通讯接口的电动 执行机构。基于多微处理器的智能型电动执行机构的基本结构如图3 1 所示。 机械传 动部分 阀门电机 位置传 感器 图3 - 1 智能型电动执行机构结构示意图 机械传动部分采用蜗轮蜗杆传动方式，蜗杆轴向可微量串动，传动效率瞬时提高， 电动执行机构因而获得较大的启动转矩；带有手动操作部分，可在任意位置进行 手电动切换操作，电动优先，电机通电时自动由手动状态切换到电动状态，手轮 操作力小，在阀门卡滞时可通过锤击效应打开阀门。阀门电机输出转矩高，采用 细长铸铝转子，转动惯量低，压铸铝外壳便于散热，内置热保护元件( 热控开关 或热敏电阻) ，根据不同应用可选择s 2 或s 4 、s 5 制式，绝缘等级为f 级( 1 5 5 ) 。电气控制部分是基于多微处理器的智能型电动执行机构的核心部分，它主 要由位置传感器、电气控制组件、电机驱动元件和人机界面等组成，控制电动执 行机构运行。 3 1 2 工作原理 基于多微处理器的智能型电动执行机构的工作原理框图见图3 2 所示。执行 1 2 第三章基于多微处理器的智能型电动执行机构 机构接受上方控制系统的开关量( 开启、关闭和停止) 、模拟量( 4 - - - - 2 0m a ) 或 通过有线通讯( 现场总线) 、无线通讯( 红外或蓝牙) 的控制信号，经信号输 ， 一 i 位置传感器 信号输入 m c u jl 上方控制系统电气控制部分 外围执行 一苫赢 - j 加黼佶翻觏锌i l 厂 电路元件 。7 l 竺竺! 厂 仉似r 训即刀il 信号输出 图3 2 执行机构工作原理框图 入电路转换传送至m c u ，m c u 根据电动执行机构当前位置和运行状态，控制电机 执行元件，驱动阀门电机运行，电机带动机械传动部分工作，驱动动阀门运行； 与此同时m c u 检测位置传感器，并将执行机构的位置、工作状态等信息通过开关 量、模拟量或通讯等方式反馈给上方控制系统，实现对阀门的位置控制。 3 2 技术参数和特点 3 2 1 技术参数 基于多微处理器的智能型电动执行机构的输出控制转矩为1 0n m 一- - 4 0 0 0 n m ，输出转速为7 n 2 转分钟，其主要性能参数见表3 - 1 ，主要电气参数见 表3 - 2 。 表3 - 1 主要性能参数如下 环境温度一2 0 + 7 0 环境湿度9 5 ( + 2 5 时) 防护等级 i p 6 8 基本误差1 0 回差 1 o 转矩重复精度 7 位置重复偏差 5 o 1 3 东南大学工程硕士论文 表3 - 2 主要电气参数 三相3 8 0 va c + 1 0 5 0 h z 电源 单相2 2 0 va c 1 0 9 65 0 h z 端子类型2 4 芯6 芯 接插件 接点5 0 0 v a c d c16 a 6 0 0 v a c d c3 5 a 导线截面 2 5 姗26 姗2 输入方式无源接点 电压 2 4 v d c 1 0 电流 l o m a 开关量输入脉冲宽度 l o o m s 光电隔离 范围4 , - - , 2 0m a 输入输出 设定值输入 输入阻抗 1 0 0 q 信号 输出方式无源接点 开关量输出 容量12 5 v a c 3 0 v d c5 a 范围4 2 0 m a 位置反馈输出 负载能力4 7 5 0 q 线性度 0 3 控制 死区 0 1 - 9 9 自适应 3 2 2 特点 基于多微处理器的智能型电动执行机构除了具有一般电动执行机构的基本功 能外，还具有以下主要特点： 1 ) 精确的位置控制。执行机构淘汰了传统的机械式限位开关，采用数字编码技 术测量执行机构的位置；采用固态继电器驱动阀门电机，运用能耗制动技术 防止电机惰走；采用先进的位置控制算法从而完成阀门位置的精确控制； 2 ) 多种智能功能。执行机构内部m c u 不断收集各种信息，连续监控执行机构的 运行状态，经过自诊断发出各种报警和故障信息。可对执行机构4 - - - 一2 0 m a 输 入信号故障、开关量输入信号故障、供电电源故障、电机温度过高、执行机 构卡滞等故障进行检测，方便用户及时快速地处理故障。具有运行数据记录 功能，可对开关次数、行程限位动作次数、电机运行时间、执行机构工作时 1 4 第三章基于多微处理器的智能型电动执行机构 间等所有重要的运行数据进行监控、储存和累计处理，即使执行机构断电也 不会丢失，因此在执行机构的整个使用寿命期间，用户可对执行机构的使用 状态了如指掌； 3 ) 友好的人机界面。现场操作按钮和旋钮采用无贯通轴的磁控开关，通过执行 机构内部的磁敏元件进行控制；采用高清晰、高对比度的液晶显示屏，具有 中英文菜单，信息显示简洁易懂；具有红色、黄色、绿色三个指示灯指示运 行状态，使用户对执行机构的运行状态一目了然； 图3 - 3 人机界面与无线遥控设备 4 ) 多样的通信接口。具有m o d b u s 、p r o f i b u s 等现场总线通信软硬件接口，能 够方便的接入现场总线控制系统；具有红外和蓝牙通信接口，可通过手持式 红外遥控器或智能设备( 手机、p d a ) 实现双向数据传输，控制执行机构运 行，监控运行状态。 3 3 电气控制部分硬件结构 电气控制部分采用模块化设计的理念，以m c u 为核心，配合人机界面、信号 输入输出、电机驱动等其它外围功能电路，m c u 内部程序控制整个系统运行。 系统采用多个m c u 的系统硬件架构，各个主要功能模块都有独立的m c u 控制， 并通过i i c 总线通讯与主控m c u 进行数据交换。 3 3 1 采用多m c u 的原因 执行机构电气控制部分以m c u 为核心，控制整个系统运行。目前m c u 软件 普遍采用前后台工作方式，如图3 4 所示。系统应用程序是一个无限的循环， 1 5 东南大学工程硕士论文 后台 一前台一 黝 粼 i s r ( 中断服 一务子程序) 一一钐彩黝 黝 - i s r 。i s r 时 r i _ 1 y , 劳 燃 执行 代码 图3 - 4m c u 前后台工作系统 循环中调用相应的函数完成相应操作，这部分是后台行为；i s r 中断服务程序处 理异步事件，这部分是前台行为，一般对实时性要求高的操作都是通过中断服务 来保证的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序运行到该处时才能得到 处理，所以任务的响应时间取决于整个程序循环的执行时间。随着电动执行机构 功能的增加和性能的提高，要求m c u 同时处理的任务数量越来越多，对实时性要 求高的任务也越来越多，任务数量的增加意味着程序循环时间的加长，而实时性 要求高则对后台程序的循环周期提出了较高要求。如果系统后台程序的循环时间 超过了处理实时任务的最大间隔时间，那么系统的实时性就得不到有效保证，从 而影响执行机构的性能。 为提高执行机构性能，基于多微处理器的智能型电动执行机构采用模块化设 计理念，按系统需要将电气控制部分分解成多个功能模块，每个对实时性要求高 或者程序执行时间较长的功能模块都有独立的m c u 控制，然后通过总线通讯的方 式与主控m c u 进行数据交换，即多m c u 的系统架构。这样既保证各个功能模块正 常工作，又缩短了主控m c u 的程序循环周期，使得主控m c u 控制的其它功能模块 工作稳定可靠，从而提高了整个系统的运行效率。 3 3 2 总体硬件结构 执行机构硬件由主m c u 、辅助m c u 、电源部分、驱动部分、位置信号检测部 分、信号输入输出部分、人机界面部分、通信部分等电路组成。我们将执行机 1 6 第三章基于多微处理器的智能型电动执行机构 构需处理的相关任务进行分解，每个