（机械电子工程专业论文）一种大功率线性电机驱动的直行程智能电动执行装置的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 电动阀门是管道系统中非常重要的器件，其控制驱动部件是电动执行装置。 电动执行装置性能的好坏，对电动阀门甚至整个管道系统的控制都具有十分重要 的影响。 本文在充分了解了国内外电动执行装置现状和发展趋势的基础上，针对现有 直行程电动执行装置存在的体积大、堵转时易烧毁电机、速度控制不方便等缺点， 提出了一种以新型线性步进电机为驱动、以单片机为控制核心的电动执行装置设 计方案。 基于上述方案，本文首先进行了执行装置系统的总体设计，并在此基础上对 系统的各主要方面进行了详细设计。在执行机构方面，以小型化为指导思想设计 出了一种大功率线性步进电机，该电机可以将转子的旋转运动在电机内部直接转 换为丝杠的直线运动，并通过改变电机绕组使其适合低速运转，然后以该电机为 驱动对执行机构进行设计，省去了传统结构中的旋转直线转换机构及减速机 构，另外，本文还对执行机构的防转装置、手动机构、限位机构等进行了详细设 计，使整个执行机构结构非常紧凑，体积比传统执行机构减小了近1 3 。在控制 器方面，根据智能化电动执行装置的具体要求，本文对控制系统进行了软硬件设 计，该系统采用主从式控制系统结构形式，上位机为人机交互界面，下位机为步 进电机实时控制器，上下位机之间采用u s b 总线进行通讯。在上位机方面，以 v c + + 为编程工具编写了上位机用户程序，用以实现阀门运行参数设置、数据传 输以及阀门运行状态监控等功能；在下位机方面，以a t 8 9 c 5 1 为核心、以专用 u s b 芯片为通讯芯片完成了控制器的硬件设计，并以单片机c 语言为工具编写了 下位机控制程序，它接受上位机的命令，直接对步进电机进行开环控制，可以实 现阀门位置及速度的精确控制。 最后，本文介绍了原型系统在实验室及现场的调试情况，调试表明：系统运 行情况良好，基本上达到了预期目标。该系统采用全数字化设计，结构紧凑、操 作方便、控制精度高、可靠性好、速度调节灵活，可以很好地适应阀门的各种高 端控制要求。 关键词：电动执行装置，线性步进电机，主从式控制，u s b 通讯 垩鏖盔堂堡主兰垡丝奎 蔓塞塑至 a b s t r a c t e l e c t r i cv a l v ei sav e r yi m p o r t a n tp a r to fd u c t w o r kw h i c hi su s e dt os t o po r r e g u l a t et h ef l o wo f m e d i u mi nt h ep i p e e l e c t r i ca c t u a t o ri sj u s tt h ec o n t r o l l i n ga n d d r i v i n gp a r to f e l e c t r i cv a l v e t h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i ca c t u a t o ri sv e r yi m p o r t a n t f o rt h e c o n t r o l l i n go f e l e c t r i cv a l v e ，e v e n f o rt h ed u c t w o r k t h et r a d i t i o n a le l e c t r i cl i n e a ra c t u a t o ri sb u l k y , l o wp r e c i s i o n u n c o n v e n i e n tt o c o n t r o li t ss p e e da n de a s yt od a m a g ei t sm o t o r a f t e rag r e a td e a lo f r e s e a r c ho fs t a t u s q u o a n d d e v e l o p i n gt r e n do f e x i s t i n ge l e c t r i cl i n e a ra c t u a t o r , an e w m e t h o do f d r i v i n g a c t u a t o rb yan e wl i n e a rs t e pm o t o ri sw o r k e do u t a n dt h e n ，ac o n t r o ls y s t e mb a s e d o n s i n g l e c h i pi sd e s i g n e dt oi n t e l l i g e n t i z e t h ea c t u a t o r a f t e rt o t a ld e s i g no ft h es y s t e m ，t h em a i np a r to ft h es y s t e mi sp a r t i c u l a r l y d e s c r i b e d u n d e rt h e g u i d a n c e i d e ao fm i n i m i z a t i o n ，t h ea u t h o rd e s i g n e dan e w h i g h - p o w e rl i n e a rs t e pm o t o r f o rt h ea c t u a t o r , i nw h i c ht h er o t a t i o no fr o t o rc o u l db e d i r e c t l yt u r n e d t ot h el i n e a rm o v e m e n to fs c r e w t h em o t o r a d a p t s t ol u l li nl o w s p e e d s ot h es y s t e mh a sn or o t a t i o n - l i n et r a n s i t i o na n dg e a rd o w ne q u i p m e n tt h a te x i s ti n t r a d i t i o n a lo n e a d d i t i o n a l l y , r o t a t i o np r e v e n t i n ge q u i p m e n t , m a n u a le q u i p m e n ta n d o t h e re q u i p m e n t sa r ed e s i g n e d ，w h i c hm a k et h ea c t u a t o rm o r ec o m p a c t t h en e w a c t u a t o ri st w o m i r da sl a r g ea st h et r a d i t i o n a lo n e c o n s i d e r i n gt h ed e m a n d sa n dt h e d e v e l o p m e n tt r e n d so f e l e c t r i ci n t e l l i g e n ta c t u a t o r , t h ea u t h o rd e s i g n e dt h eh a r d w a r e a n dt h es o f t w a r eo ft h et h ec o n t r o l l e rs y s t e m ，i nw h i c ht h es t r u c t u r eo f p r i n c i p a la n d s u b o r d i n a t e c o n t r o l l i n gs y s t e m i s a d o p t e d t h eu p p e rc o m p u t e r i st h ei n t e r f a c e b e t w e e nm a l la n dm a c h i n e t h el o w e rc o m p u t e rc o n t r o u st h es t e pm o t o rd i r e c t l yi n r e a lt i m e u s bi su s e di nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n u p p e r a n dl o w e r c o m p u t e r t h e u p p e rc o m p u t e rp r o g r a m i s d e s i g n e d i nv c + + i ti su s e dt os e tt h em o v e m e n t p a r a m e t e r , t r a n s m i tt h ed a t a ，a n ds h o wt h er u n n i n gs t a t u so fa c t u a t o r t h el o w e r c o m p u t e ri sd e s i g n e db a s e do na t 8 9 c 5 1a n das p e c i a lu s bc h i p t h ec o n t r o l l e r p r o g r a mi sd e s i g n e di ns i n g l e c h i pl a n g u a g ec i tr e c e i v e st h ec o m m a n do fu p p e r c o m p u t e r a n dc o n t r o l st h es t e pm o t o ri no p e n i n g r i n gm o d e t h ec o n t r o l l e rc a no p e n o rc l o s et h ev a l ec o m p l e t e l yo rs e tt h ev a l v ea ta n y p o s i t i o ni na n ys p e e de x a c t l y a tl a s t ，t h el a b o r a t o r ya n dl o c a ld e b u g g i n go ft h ep r o t o t y p ei s i n t r o d u c e d ，i n w h i c ht h es y s t e mr a nv e r yw e l l t h es y s t e mi sa e n t i r e l yn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m i t i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 i sc o n v e n i e n tt ob ec o n t r o l l e d ，e a s yt ob er e g u l a t e di ns p e e d ，a n dh a sh i g hc o n t r o l p r e c i s i o n i ts a t i s f i e sa l lt h ed e m a n d s o f v a l v e c o n t r o l l i n gv e r y w e l l k e y w o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o r , l i n e a rs t e pm o t o r , p r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t e c o n t r o l l i n gs y s t e m ，u s bc o m m u n i c a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 1 引言 阀门是管道系统中非常重要的部件，它用来截断或调节管道系统中介质的流量， 广泛运用于石油、化工、冶金、电力等过程控制系统中。阀门可分为自动阀门和驱 动阀门两种，自动阀门( 如安全阀、减压阀等) 靠装置或管道本身介质压力的变化 来达到启闭的目的；驱动阀门( 如闸阀、截止阀、球阀、蝶阀等) 靠驱动装置来改 变阀门的开启程度，从而改变管道中介质的压力、流量或方向。驱动阀门按驱动方 式分可以分为手动、气动、液动、电动等，按驱动装置的运动方式分可分为直行程 和角行程两种。 气动阀门以压缩气体作为工作介质传递动力和驱动信号，它结构简单，具有防 火、防爆、防电磁干扰、抗振动冲击等特点，但存在体积大、速度不均匀等缺点， 尤其在大口径、高压力的场合其运用受到较大限制。 液动阀门以高压液体作为工作介质传递动力和驱动信号，它结构简单，能输出 较大的力或者力矩，容易获得低速或高速，运行平稳，但它存在液压元件和管道易 渗漏，使用、拆装、维修不方便等缺点，现在很少使用，一般用在大功率场合下， 比如三峡的船阀用的就是液动执行器。 电动阀门一般以电动机作为驱动源，它适用性较强，不易受环境温度影响，输 出力或力矩范围广，安装方便、维护检修方便，因此，在各类阀门中，电动阀门占 据主导地位，每年销售额数亿元，在现代化的工业部门已经得到广泛的运用，大大 地提高了工业自动化水平【i 】。 电动阀门包括阀门本体和电动执行装置两部分，而电动执行装置又般由执行 机构和控制器等组成。电动执行装置在控制信号的作用下实现对阀门本体的驱动和 控制。其结构示意图如图1 1 所示。 一一一一一一一一一一一一一一一1 f 阀门电动装置i i i lj 图1 1 电动阀门结构示意图 f i g1 1 s t r u c t u r eo f e l e c t r i cv a l v e 电动阀门从五十年代开始就广泛运用于我国的各个工业部门，但是，我国目前 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 生产和使用的电动执行装置绝大部分仍然是六七十年代设计的产品，其突出特点是 体积庞大，采用传统的模拟控制，控制精度低，抗干扰性差，不容易实现网络化控 制，其主要作用也只是代替人力去操纵那些大口径的阀门。随着现代化工业控制水 平的提高，各种场合对阀门的要求也在不断提高。现代控制仪表( 包括电动阀门) 的发展方向是实现智能化，具有通讯功能，显然，现在大部分的阀门电动执行装置 已经越来越不能适应工业控制的发展。随着微电子技术的发展，我国也出现了新一 代的智能化电动阀门，这也是我国阀门现在的个研究热点，但其控制的实质仍然 是传统的模拟控制，采用异步电机驱动，只是加上了微机控制及通讯功能，在某些 控制要求，如控制平稳住、调速等方面还不是很理想，仍然不能满足高端需求。国 外电动执行装置性能很好，但价格十分昂贵，在我国的应用受到一定限制。因此， 开发我们自己的新一代数字化智能电动执行装置具有十分重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内研究现状 我国从五十年代开始就广泛使用电动阀门，阀门电动执行装置的结构型式有 几十种，而规格型号则有上百种。在上世纪六七十年代，我国曾试图对电动执行装 置进行统一设计，当时，以上海和重庆为代表分为了两个流派：前者采用伺服电 机作为驱动，但存在堵转易烧毁电机等缺点；后者采用同步电机作为驱动，但体 积庞大，力量小( 一般小于1 6 t ) 。因此，两种设计都不很成功。 改革开放以来，我国自动化仪表行业有了长足的进展，在执行器领域则主要 以引进为主。如吴忠仪表厂引进了山武霍尼韦尔的v a 和h a 两大系列产品，上 海自动化仪表七厂引进了梅索尼兰的三个品种的产品，四川仪表厂引进了西门子 的电动执行装置。可见，这个阶段的主要工作和精力都放在消化吸收上，在进 步改进和创新上用力不多。 我国阀门企业有上百家，但其中大部分为小型乡镇企业或民营企业，不具备 自主开发能力，只能生产低端产品。真正上规模、具有自主开发能力的也就十余 家大型骨干企业。因此，我国电动执行装置的现状是：低端产品生产过剩，而高 端产品由于技术原因不能生产，只能大量依靠进口。 近两三年，执行装置业发展的一个重要方向是小型化、智能化。在小型化方 面，主要措施一般是改变减速机构结构或者改变放大器结构，其效果不是很明显。 智能化工作则刚刚起步、无重大进展。虽然国内一些单位在执行器智能化方面作 了一些探索，如上海工业自动化仪表研究所开发了新型智能电动执行器，使用方 便，具有自诊断，自调整和p i 调节功能，但目前仅是个别使用。并且，其实质仍 然是传统的以4 2 0 m a 和o 1 0 m a 电动模拟信号为统一标准信号的电动模拟控 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 制系统，只是加上了微机通讯及控制功能，在某些控制要求，如控制可靠性、调 速等方面还不是很理想，而正真的全数字化电动阀门在我国研究较少。另外，我 国执行装置一般采用异步电机驱动，它和国外电机在耐堵转、平稳性等方面有较 大差距，这也限制了国内智能电动执行装置性能的提高。 我国现在研究的直行程智能电动执行装置的总体框架如图1 2 所示【2 】【5 】= 倒1 2 我国现有聋行程智能电动阀门结构框图 f i g1 2s t r u c t u r eo f p r e s e n tl i n e a ri n t e l l i g e n te l e c t r i cv a l v eo f o u rc o u r t t r y 可以看出，该系统较之传统的电动执行装置有不少改进，增加了智能控制与通 讯功能，但仍然存在一些问题： 控制的实质仍然是传统的模拟控制，精度低； 采用传统的异步电机，需要庞大的变速机构及旋转直线转换机构； 电机速度快，对阀体有冲击； 电机变速困难，不易进行速度控制，不适合于速度要求复杂的场合： 电机堵转容易烧毁。 1 2 2 国外发展概况及趋势 全球自动化仪表市场需求快速增长。过程自动化仪表市场销售额在1 9 9 6 年达 到4 6 1 亿美元，到2 0 0 1 年增长到5 9 9 亿美元，预计到2 0 0 6 年将达到7 0 0 亿美元。 电动执行装置作为自动化仪表的主要成员，自然受到国外许多大公司的重视。仅 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 美国就有2 4 个研究所( 公司所属) ，如r o c k w e l l 公司具有十分完善的测试基地和 设备，包括动态、抗震、紧急切断、可靠性等多种实验设施，对产品进行多方面 性能参数的测定。有限元法、电子计算机技术、微机控制技术已在阀门设计中得 到广泛应用。 智能式电动执行装置是现场总线控制仪表中的必备产品之一，是仪表行业的 发展趋势。由于高新技术的迅猛发展，关键元件器件技术难关的突破，智能化电 动执行装置在国外已经形成许多系列产品，广泛应用许多工业领域中。英国的 r o t o r k 公司、德国的s i m e n s 公司、美国的v a l t e k 公司和l i m i t o r q u e 公司等国外几 家著名公司生产的智能化电动执行装置功能强大，简单可靠，技术先进，代表着 该领域的世界先进水平。国外电动阀门发展的总趋势是【5 】【3 6 1 3 8 】： 智能化控制 在过程控制中，需要调节阀门的开度来调节流量和压力。现在，先进的阀门 执彳亍装置都带有具有控制智能的伺服放大器，具有完善的智能控制功能，可按给 定值自动进行p i d 调节，控制压力和流量等过程变量。控制信号可以通过控制系 统程序预先设置，也可以通过远程计算机设置或现场设置。 全面保护 智能电动执行装置具有高度的自身保护及系统保护功能。 例如装有三相电机的执行装置有可能因为相线接错而反转，导致执行装置和 阀门损坏。而智能型的电动执行装置则可以监视电源的相序以及输入控制信号的 情况以确保电机正常启动。此外，在阀门卡住的情况下，保护功能还可以避免电 动机被烧坏，因此在电动机通电期间不断的检测阀门的动作情况，一旦发现一定 的时间内不动作，就认为发生卡住的情况，控制器就会发出命令切断电动机的电 源，同时发出报警信号。英国r o t o r k 公司生产的i q 型智能化电动执行装置就 具有上述两种保护功能。 智能化的通讯 智能化电动执行装置采用数字化通讯的办法与主控制室相连。主控制器送出 的可寻址数字信号通过电缆被电动执行装置接收，电动执行装置的微处理器根据 收到的信号对电动执行装置进行相应的控制。智能电动执行装置允许工程师在远 地对其进行检测、整定和修改参数或算法。例如，v a l t e k 公司的s t a r p a c 在出厂 时就被配备有p c 软件仪表工程师利用这些软件可以对阀门的电动执行装置编 程，p c 与系统之间通过r s - 4 8 5 串行口按照经过修改的h a r t 协议相连。 智能化的诊断 在阀门电动执行装置上装有一些附加的传感器，专门用于故障诊断，而在电 路方面也设置了各种检测功能，如电源相序和后备电池的电压捡测。微处理器在 重壅丕堂堡主堂堡笙苎一! 一丝 运行中连续对整个系统进行监视，一旦发现问题立即执行预定的程序t 自动采取 应急措施并报警。而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测。 体化的结构 一体化的结构是指把整个控制回路装在一个现场仪表中，使控制系统的设计、 安装、操作和维护等工作大为简化，且减少信号传输中的泄漏和干扰等因素对系 统的影响，提高系统可靠性。 此外，智能化阀门电动执行装置在结构设计上还应充分考虑抗恶劣工作环境 等因素，其组件应具有防腐、防爆功能，经得起温度湿度的大范围变化和振动冲 击的考验，保证工作可靠。 1 。3 本文研究内容 机电一体化技术、微电子技术、微机技术、通讯技术的不断提高，为新一代 数字电动执行装置的开发提供了充分的条件。本文正是在充分了解了国内外电动 执行装置技术现状及发展趋势的基础上，结合阀门的结构特点及控制要求，利用 现代新兴技术，提出了用一种新型大功率线性步进电机作为执行机构驱动控制源、 以单片机为控制核心实现电动执行装置智能化的思路，对整个执行装置进行了总 体设计。本设计克服了传统执行装置体积庞大、堵转易烧毁电机、速度控制不灵 话等缺点，采用全数字化设计，操作方便，控制精度高，速度调节灵活，可以很 好地适应阀门控制的各种要求。 本课题对这一新型电动执行装置系统进行了总体设计，对系统的主要方面进 行了详细设计。本文研究内容如表1 1 所示。 表1 1 本文研究内容 t a b l e1 1c o n t c n to f t h et h e s j s 章节 内容 第二章系统总体方案设计 第三章系统机械结构设计 第四章系统硬件电路设计 第五章系统软件设计 第六章系统调试 本课题着重解决以下技术问题： 新型大功率线性步进电机设计。该电机可以直接将转子的旋转运动在电机 内部直接转换为丝杠的直线运动，从而省去传统结构中的旋转直线转换机构 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 及减速机构，实现执行装置的小型化。 执行机构机械结构设计。由于执行机构与传统机构相比有较大改动，因 此需要对执行机构进行全新设计，包括手电动转换装置、防转装置、手动机 构等的设计。 上下位机之间u s b 总线通讯。智能阀门需要有远程通讯功能，本系统采 用主从式控制系统结构模式，即上下位机结构模式，上下位机之间需要实时通讯， 传统结构一般采用r $ - - 2 3 2 或r s - - 4 8 5 等模式，本系统选用u s b 通讯模式。u s b 总线是一种比较新的通信方式，在一般的主从式控制系统中应用还较少，但u s b 通信有很多优点，可以克服传统串口通讯的许多不足。 电动执行装置速度控制。电动执行装置在运行、开阀和关阀的过程中需 要有不同的速度以减小阀芯对阀体的冲击，增加系统运行平稳性，另外，有的阀 门要求在不同的工作方式下有不同的运行速度，因此电动执行装置应当有灵活改 变速度的能力，这在传统电动执行装置中是很难实现的。本文用步进电机驱动可 以解决这个问题。 电动执行装置自身功能数字化实现。电动执行装置应能接收外部数字信 号的控制以实现开阀、关阀、到任意开度、故障检铡等功能，而不是采用现有 的模拟控制方式。 1 4 本章小节 本章首先介绍了阀门的使用、分类及特点，然后介绍了国内外电动执行装置 的发展状况及趋势，并根据现有阀门的不足以及国外电动阀门的发展趋势提出了 一种新型阀门电动执行装置的设计思路，最后简要介绍了本文的研究内容。 6 重堕盔堂夔主堂堡鲨塞 ! 墨笙璺堡立墨堡盐 2 系统总体方案设计 由于本课题的选题及整个设计过程都以面向实际工业应用为目标，所以系统 的总体设计始终贯彻了“简单实用、操作方便、安全可靠、技术先进”的原则。 本文在仔细分析了国内外同类产品的特点，并借鉴了他们的成功经验的基础上， 对其电机驱动部分进行了改进，并提出了产品的总体设计方案。 2 1 数字电动阀门总体框架设计 2 1 1 阀门对电动执行装置的基本要求 为了使电动执行装置与阀门之间的配合完全协调，以组成一个完善的电动阀 门，必须保证电动执行装置的技术特性能够完全满足阀门操作特性的要求。下面 分别从阀门的操作特性和使用条件等因素，分析阀门对电动执行装置提出的技术 要求瑚。 应具有阀门可靠工作的转矩 电动执行装置的最大输出转矩应与配用阀门所需的最大操作转矩相适应，这 样才能保证阀门操作可靠。电动执行装置的输出转矩如果低于阀门操作的展大操 作转矩，则会出现阀门拒动故障，影响主设备的工艺流程，甚至威胁主设备的安 全运行。电动执行装置的输出转矩如果比阀门所需操作转矩大褥多时，则不仅会 造成材料和电力的浪费，更重要的是还会损坏阀门的零部件。因此，合理地选择 电动执行装置的输出转矩是保证电动阀门可靠工作的重要前提。 应能保证开阀和关阀具有不同的工作转矩 对于绝大多数阀门来说，阀门关严后再次开启所需的操作转矩比关严阀门所 需的最大转矩要大，因此，为了可靠的开启已关严的阀门，电动执行装置应具有 可靠的开阀操作转矩。在一般情况下，阀门关严后再次开启所需的操作转矩比关 严阀门所需的操作转矩耍大5 0 ，才能保证可靠地开启关严的阀门。 能提供关阀时所需的密封力 对于强制密封的阀门，关阀时，在阀门的起闭件与阀座接触后，为了保证密 封面不泄漏，必须继续向阀座施加一个大小一定的力，以保证密封面的密封。在 阀门关闭的瞬间，阀门起闭件的位移很小而转矩的变化却很大。为了保证阀门零 件不致因超过材料强度极限而损坏，阀门关闭瞬间的操作转矩必须严格控制在规 定值内。 应能保证阀门操作时要求的行程 对于非强制密封式的阀门( 自动密封式) ，在关阀时要求阀门起闭件能停止在 重瘗查堂堡主堂垡堡壅 ! 墨竺：壁! ! 互茎! i 立 规定的位置。这时，如果阀门起闭件的行程不足，就会造成阀门泄漏，而行程过 大又会有损坏阀门零件的危险。在一般情况下，这个停止位置的误差不应超过阀 门全行程的o 5 。 应具有合适的操作速度 工业生产过程中的变化速度是比较快的。为了保证工业生产过程的协调性， 在一般情况下，希望阀门的操作速度快些为好。但是，阀门的操作速度提高后， 由于阀门的开启或关闭时间过短又会在管道中产生水击。这是保证安全运行所绝 对不能容许的。通常为了避免水击现象，小口径阀门( d g = 5 0 r a m ) 的全行程操 作时间应在3 0 4 0 秒，雨大口径阀门( d g = 8 0 0 m m ) 的全行程操作时间应在1 4 0 2 0 0 秒。 对于某些特定的阀门具有特定的速度要求。例如，电力系统中的汽机旁路系 统的阀门，在机组启动或停止的过程中，这个阀门用来调节排入凝汽器的蒸汽量， 以保证锅炉的出口汽温和汽压。这时，为了提高调节品质，它的操作速度不应太 快。可是在电网发生事故、机组突然甩负荷时，这个阀门用来将锅炉的过量蒸汽 排入凝汽器，以保证机组能正常空载运行。这时，它的操作速度又希望尽可能地 快。这样就提出了一个要求电动执行装置能用不同操作速度操作阀门的问题。这 个阀门的全程操作时间，在高速时应在几秒，在低速时应在十几秒到几十秒之间。 应具有手动操作的机构 阀门最基本的操作手段是安装在阀杆顶端的手轮，操作人员依靠自己的体力 通过手轮去操作阀门。在电动阀门中，为了保证阀门操作的可靠性，在电动执行 装置出现故障时应有后备操作手段；同时，在调整电动执行装置时，也是需要有 人工操作手段的。 为了提高手动操作的速度，在手动能够操作的前提下，应尽量减小手动操作 的减速比。 应能适应生产过程的环境条件 每个工业部门的环境条件都有各自的特点。电动执行装置应能适应工业环境 的各种恶劣条件，如易爆、腐蚀、辐射、高温等。 2 1 2 总体结构设计 在执行装置的设计过程中，应充分考虑上面所述的执行装置的基本功能。此 外，根据国内外发展现状及趋势，电动执行装置还应该具有智能控制、智能通讯、 智能诊断等功能。基于以上因素，本文对阀门电动执行装置进行了全新设计，其 结构框图如图2 1 所示。 矗 重庆大学硕士学位论文2 系统总体方案设计 图2 1 新型直行程阀门电动执行装置结构 f i g2 1s t r u c t u r eo fn e w1 i n e a re l e c t r i ca c t u a t o r 本系统可以分为控制器和执行机构两步分。控制器指电气部分，主要包括单 片机控制系统、控制面板、远程通讯接口、遥控器、故障诊断、步进电机驱动器、 行程控制开关等；执行机构指机械部分，主要包括步进电机、支架、手电动 切换机构、转矩控制机构等。本章着重按照执行机构及控制器软硬件三部分分别 进行介绍。同时，本着“总体规划，分步实施”的原则，本文只对系统主要功能 进行了详细研究，对转矩控制、遥控器、控制面板及部分故障检测并未进行详细 设计，这些都可以在今后的工作中进行完善。 本系统具有如下优点： 速度控制灵活，可以满足阀门的各种速度要求； 可进行加减速控制，以实现柔性开启： 无需减速机构及旋转直线转换机构，体积小； 具有自锁功能； 堵转时不烧毁电机； 具有远程通讯功能，系统操作方便； 具有故障诊断功能： 系统使用灵活，通过不同设置可以控制不同行程、速度要求的阀门。 9 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 2 2 执行机构总体方案设计 2 2 1 新型大功率线性步进电机 电动阀门执行机构一般以同步或异步电机作为驱动，电机的转速高、输出力 矩小，因此必须配备减速机构以降低转速、增加力矩，在直行程电动阀门中，还 须配备旋转直线转换机构将电机旋转运动转换为直线输出运动。这样做，不 仅使机械部分复杂，重量增加，而且机械损失大，给设计、制造和使用都带来了 不小的工作量。因此，需要寻求一种能输出低转速、高转矩的电动机，以改善电 动执行装置的特性。 在本文中，我们采用自己设计的一种新型大功率线性步进电机作为执行机构 的驱动源，该步进电机( 含丝杠) 直接将转子的旋转运动在电机内部转换为丝杠 的直线运动，从而驱动直行程阀门阀杆作直线运动，这种驱动方式省去了变速机 构及旋转直线转换机构，体积大为减小。同时，步避电机速度控制非常灵活， 只需通过控制脉冲频率b 口可实现速度控制，因此可以很好地满足执行机构在速度 方面的要求。本课题的所有工作都是围绕着该线性步进电机来开展的。 2 2 2 转矩控制机构 有的阀门关闭时需要阀芯和阀体间达到一定压力作为关严的标准，但如果压 力过大将会使阀体受到破坏或者阀门下一次不能开启。转矩控制机构可以保证步 进电机在一定转矩范围内工作，当转矩超出设定范围时，该控制机构将产生信号 使电机停转。转矩控制机构可以包括开向和关向两种方式的控制，保证阀门的开 启和关闭可以有不同的力矩。 2 2 3 手动机构及手电动切换机构 在电动系统出现故障或现场检修时，需要依靠手动装置对阀门进行操作。为 了使阀门能够协调运行，手动装置与电动执行装置不能同时工作，需用手电 动转换装置实现手动与电动方式的切换。 2 2 4 支架与防转装置 支架是步迸电机与阀门本体之间的连接件。支架与阀门本体之间的连接采用 标准结构及尺寸，以实现互换性。为了使丝杠产生宣线运动，必须设置防转装置 以防止丝杠旋转。 2 ，3 控制器总体方案设计 2 3 1 控制器总体方案 单片枫采用a t 8 9 c 5 1 ，具有4 kf l a s hr o m ，可多次擦除程序。单片机系统接 收远程计算机、键盘或遥控器的控制信号以及执行机构的反馈信号，经处理后对 步进电机控制器发出相应控制命令以控制步进电机运转，同时负责控制面板l e d 重庆大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 显示。步进电机采用开环控制。 2 3 2 步进电机驱动器 步进电机必须要有驱动器以实现脉冲分配，功率放大。步进电机驱动器应当 与步进电机功率及绕组相配套。 2 3 3 行程控制开关 行程控制开关用来控制电动执行装置的停止位置。在阀门开启和关闭的极限 位置设置行程控制开关可l ；i 使阀芯在一定行程范围内运动，当阀芯要超出行程范 围时，该控制开关将产生信号使电机停转。同时，它还起着运动定位的作用。以 全开位置作为运动原点，其他位置以它相对于运动原点的相对位置来定位。 本系统采用霍尔传感器实现行程控制功能，霍尔传感器定位精度高，可以达 到微米级，可以很好地实现执行机构的限位和定位。 2 3 4 串行通讯功能 智能电动阀门应具有远程通讯功能。本系统采用主从式控制系统结构形式， 以上位机作为人机交互界面，实现阀门的运行参数设置、数据传输以及阀门运行 状态监控；下位机接受上位机的命令，直接对步进电机进行控制，上下位机之间 采用u s b 总线进行通讯。 2 2 5 遥控器 在实际工业工程中有些危险或有污染的场合不适合操作人员进行现场操作， 这时可以由操作人员对阀门进行遥控操作。 2 3 6 故障检测 对系统容易出现故障的地方放置传感器进行检测，一旦发现故障，系统立即 采取相应措施以避免事故发生。 2 3 7 控制面板 为了方便现场操作和检修，阀门配备控制面板，它包括键盘和l e d 显示，可 实现现场复位、参数修改和其他操作，可以显示阀门运行状态、故障情况、阀门 开度等信息。 2 4 软件总体设计 本系统采用主从控制系统结构形式，以上位机作为人机交互界面，实现阀门 运行的参数设置、数据传输以及阀门运行状态监控；下位机接受上位机的命令以 及各控制参数，直接对步进电机进行开环控制。 2 4 1 上位机程序设计 上位机采用v c + + 编写，通过上位机程序可以设置阀门的操作要求及电机运动 参数等，并把这些命令以一定格式发送到下位机以实现相应功能。同时，执行装 重庆大学硕士学位论文2 系统总体方案设计 置的运行状态、故障情况等也将由下位机返回到上位机，然后由上位机程序显示 出来。 2 4 2 下位机程序设计 下位机接收上位机的指令，经过解析后对步进电机进行相应的实时控制。同 时，它还接收执行机构的各种检测信息，进行相应处理。另外，下位机还将向上 位机返回指令运行情况、阀门状态、故障状态等。 2 5 本章小节 本章首先对阀门电动执行装置所需的基本功能进行了描述，然后根据这些基 本功能以及执行装置的发展趋势。对系统进行了总体方案设计。设计主要包括执 行机构、控制器硬件、控制器软件三个部分，本章对各部分的基本组成进行了简 要介绍。 1 2 重庆大学硕士学位论文 3 执行机构结构设计 3 执行机构结构设计 传统执行机构一般采用同步或异步电机来驱动，存在速度控制不灵活、精度 不够高、体积大、有运动冲击等诸多缺点。本文采用一种新型线性步进电机作为 执行机构的驱动控制源，它具有结构紧凑、速度控制方便、工作稳定可靠、开环 控制精度高、性能价格比高等优点。 3 1 执行机构总体设计 本电动执行机构的设计是以自己所设计的线性步进电机为中心来展开的，其 整体结构如图3 i 所示。 图3 i 电动阀门总体结构图 f i g3 1m a i ns t r u c t u r eo f e l e c t r i cv a l v e 1 手动装置 2 线性步进电机3 支架 4 阀门本体 根据电动阀门的实际需要，它主要包括线性步进电机、支架( 含防转装置、 重庆大学硕士学位论文 3 执行机构结构设计 限位装置) 、手动装置( 含手电动转换装置) 等部分。由于大部分阀门是非强 制密封形式的，因此本执行机构没有设计转矩限制机构，适合于以位置限位的阀 门。 本系统以一种新型线性步进电机作为驱动源，该线性步进电机的电机轴中空， 丝杠直接穿过电机轴，当电机转子旋转时，如果丝杠不转动，电机轴的旋转运动 将在电机内部直接转换为丝杠的直线运动，因此省去了传统电动执行机构的旋转 直线转换装置，另外，该步迸电机适合低速运转，速度控制灵活，不需要减 速装置就可以直接获得执行机构运行所需的低速，这又省去了传统结构中的减速 装置，使机构体积大为减小。 手动装置在电动方式失效时或者在执行器安装过程中使用。手电动转换 装置使执行机构在手动工作方式与电动工作方式之间相互转换。 支架起着步迸电机与阀门之问相互连接的作用，同时，支架内部包含防转装 置，可以防止丝杠转动，从而能实现丝杠的直线运动。支架上安装限位开关，实 现阀门运动的限位及定位。 3 2 步进电机设计 3 2 1 步进电机概述 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载 的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性 关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、 位置等领域用步进电机来控制变得非常简单。步进电机和普通电机的区别主要就 在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相 结合。步进电机具有如下特点【6 】： 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单价廉： 位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简 单而且有一定精度的开环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环系统； 无刷，电动机本体部件少，可靠性高； 易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好； 停止时可有自锁髓力； 步距角选择范围大，可以在几十角分至1 8 0 0 大范围内选择。在小步距情况 下，通常可以在超低速下高转距稳定运行，通常可以不经减速直接驱动负载： 速度可以在相当宽的范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台电机可 以使他们完全同步运行； 重庆火学硕士学位论文 3 执行机构结构设计 步进电机带喷性负载的能力较差； 由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而 复杂化。 3 2 2 改型思路提出 由于步进电机具有以上特点，本系统采用步进电机来作为系统驱动。但是， 普通步进电机只能产生旋转运动，在本电动执行机构中，需要输出轴产生直线运 动，因此，需要对电机结构进行改进。 目前，能进行直线运动控制的方式通常包括两类：一类是直接用直线电机产 生直线运动；另一类是通过转换机构将旋转电机的旋转运动转化为直线运动，转 换机构般包括丝杠螺母、齿轮齿条、蜗杆蜗母等。其中，直线电机具有运动惯 量小、系统刚度大、高速度、高精度等特点，但它“除控制难度大( 中间没有缓冲 环节和存在端部效应) 外，还必须解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件 轻量化等方面的问题，才能投入实际应用，同时成本较高也影响其推广应用”【7 】【9 】， 因此，直线电机目前在普通自动控制设备中运用还不是很广泛。后者在各类自动 控制设备中运用很广泛，但在某些场合下却存在运动系统体积大、安装调试难度 高、系统动态性不好等问题。 传统直线运动控制系统一般由旋转电机、联轴节、丝杠、丝杠轴承、丝杠螺 母、运动部件( 如工作台、主轴箱、立柱等) 等部分组成，其结构如图3 2 所示。 丝杠螺母( 含 运动部件) 轴承丝杠厂 轴承联轴节电动机 ii 图3 2 传统直线运动控制系统结构 f i g 3 2s t r u c t u r eo f 恬a d “i o n a l i n e a rm o v e m e n t s y s t e m 该系统的工作方式是：电机旋转通过联轴节带动丝杠旋转，丝杠旋转使丝杠 螺母平动，丝杠螺母平动带动负载平动。通过分析可以看出，该系统具有如下缺 点： 安装调试复杂：为了保证系统运行的稳定性，必须使电机轴与丝杠严格同 心，这对高速运行系统尤为重要，但要保证做到这点是比较困难的。 系统体积大：系统中电机轴、联轴节、丝杠在直线上一字排开，占用的空 间很大，当运动系统空间受限，例如在小型设备中，该系统就显得特别庞大，与 整机不相匹配。同时，该运动系统体积增大会使得整机体积增大，这将影响设备 垩瘗鲞堂堡主堂垡堡苎 ! 垫堑! 堕堕塑塑生 的美观、提高制造成本。 系统结构复杂、性能价格比低：运动系统辅助零部件多，结构复杂，为了 提高系统精度，一般使用高精度的联轴节、轴承等，价格较为昂贵，因此，整个 运动系统的价格较高。 为了改进上述直线运动控制系统的不足，笔者设计出一种新型的线性电机及 其运动控制系统，其结构如图3 3 所示。 图3 3 改进后的直线运动控制系统结构 f i g 3 3s t r u c t u r eo f n e wl i n e a rm o v e m e n ts y s t e m 可以看出，改进后的电机是在旋转式电机的基础上，把电机轴做成空心，使 用时丝杠穿过电机轴，丝杠螺母固定在电机轴上并随之一起转动。当电机定子固 定时，如果限制丝杠旋转方向的运动，丝杠将在转子带动下做平动：当丝杠固定 时，如果限制电机定子的旋转运动，电机将在丝杠上平动。可以看出，该结构可 以将电机转予的旋转运动在电机内部直接转换为直线运动。 丝杠螺母和电机轴之间的固定有两种方式：一种是直接将电机轴做成丝杠螺 母；另一种是将电机轴两端伸出端盖，然后将丝杠螺母固定在伸出的电机轴两端。 前者一般做成滑动丝杠螺母副，其突出特点是结构非常紧凑，具有停电自锁特性， 适用于小体积设备，本电动执行机构即采用这种结构。后者一般做成滚动丝杠螺 母副，其特点是当丝杠长度较长时，系统的转动惯量相对较小，适用于长丝杠运 动系统中。 本系统和图3 2 所示系统相比，减少