机电一体化毕业设计（论文）机电一体化智能大流量电动执行机构

1、 (机电一体化只能大流量电动执行机构)成都电子机械高等专科学校成教院成都电子机械高等专科学校成教院毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）论文题目：论文题目： 机电一体化智能大流量电动执行机构机电一体化智能大流量电动执行机构教教 学学 点：点： 指导老师：指导老师： 职职 称：称： 讲师讲师 学生姓名：学生姓名： 学学 号号: : 专专 业：业： 机电一体化技术机电一体化技术20112011 年年 1 1 月月 1313 日日 (机电一体化只能大流量电动执行机构)成都电子机械高等专科学校成教院成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书题目：机电一体化智能大流量电

2、动执行机构题目：机电一体化智能大流量电动执行机构任务与要求：任务与要求： 通过此次论文，明白机电一体化智能大流量电动执行机构的基本结通过此次论文，明白机电一体化智能大流量电动执行机构的基本结构与组成原理。学习单片机、构与组成原理。学习单片机、pwmpwm 波发生器、波发生器、ipmipm 逆变器、逆变器、a/da/d、d/ad/a 转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电路等的相关理论知识和实践操作。从而达到对机电一体化智能大流量电路等的相关理论知识和实践操作。从而达到对机电一体化智能大流量电动执行机构的深入了解与研究。为中国的机械工

3、业贡献自己的一份力量。动执行机构的深入了解与研究。为中国的机械工业贡献自己的一份力量。时间：时间： 2010 年 11 月 20 日 至 2011 年 1 月 13 日 共 7 周教教 学学 点：点： 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 专业：专业： 机电一体化技术机电一体化技术指导单位或教研室：指导单位或教研室： 指导教师：指导教师： 职职 称：称： (机电一体化只能大流量电动执行机构)毕业设计毕业设计( (论文论文) )进度计划表进度计划表日日 期期工工 作作 内内 容容执执 行行 情情 况况指导教师指导教师签签 字字11 月 20 日至11 月 25 日题目拟定11 月 27 日至12

4、 月 2 日编写大纲12 月 4 日至12 月 15 日完成初稿12 月 15 日至12 月 23 日完成终稿12 月 23 日至12 月 29 日确定终稿12 月 29 日至1 月 6 日编辑终稿1 月 6 日至1 月 13 日完成设计教师对进教师对进度计划实度计划实施情况总施情况总评评本表作评定学生平时成绩的依据之一。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)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

5、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

6、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 (机电一体化只能大流量电动执行

7、机构)abstractthe present paper presents a new type of electric actuators, the design of detailed introduces each functor selection and design, the valve position and speed control principle and all key the solution to the problem. the actuator valve, servo electrical mechanism ware xed, using 8031 tec

8、hnology to achieve the valve movement speed and position control, solved the valve, the valve accurate location of the flexible switch, limit position judgment, motor analog signal isolating and some other technical problems. site operation shows that the electric actuators offer fast, protect perfe

9、ct and easy and computer communication, etc. in modern production process control, actuators plays an extremely important role, it is the automatic control system indispensable constituent part. the existing domestic big flow of electric actuators exist control backward, mechanical transmission mech

10、anism, complicated structure, and positioning accuracy, low reliability issues such as. and the whole operation speed of actuator depends on its motor output shaft rotation speed and its internal reduction gear deceleration ratio, once they are out, this one is not adjustable speed, its generality f

11、ixed are relatively weak. the whole organization lacks perfect protection and fault diagnosis of the measures and the necessary means of communication, the systems security is poorer, inconvenience and computer networking. in view of the above reasons, the traditional big flow of electric actuators,

12、 control system, reliability and poor stability. along with the computer network, the fieldbus technology application in industrial process, this kind of actuators have already far cannot satisfy the industrial production requirement. the author design of large discharge and electric actuators, adop

13、t the electromechanical integration technology, valve, servo motor, controller xed, use asynchronous motor driven directly valve opening and closing. through the built-in inverter, using fuzzy neural network, and the realization of the valve movement speed, accurate positioning, flexible switch and

14、motor torque control. the electric actuators are used to control motor is omitted, the reversal of the contactor and silicon controlled directional control switch module, mechanical transmission device and complicated or costly cabinet and distribution cabinets, have fast, protection is comparativel

15、y perfect, facilitate and computer networking, etc. practical application shows that the actuators work stable, reliable performance. (机电一体化只能大流量电动执行机构)key words：electric actuators、valves、position control- 1 -目录第一章 电动执行机构的硬件设计及工作原理.- 1 -第三节 智能逆变模块 ipm .- 5 -第四节 位置检测电路 .- 12 -第五节 电压及电流检测 .- 12 -第六节 通

16、讯接口 .- 14 -第七节 时钟电路 .- 15 -第八节 液晶显示单元 .- 19 -第九节 程序出格自恢复电路 .- 19 -第二章 阀位及速度控制原理.- 20 -第三章 关键技术问题的解决.- 22 -第一节 阀门柔性开关 .- 22 -第二节 电机保护的实现 .- 23 -第三节 准确定位 .- 24 -第四节 模拟信号的隔离 .- 26 -结束语.- 27 -谢 辞.- 28 -参考文献.- 29 - (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 2 -第一章第一章 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

17、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

18、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 中央处理单元（8 位）:数据处理、测试位，置位，复位,位操作; (机电一体化只能大流量电动执行

19、机构)- 3 -只读存储器（4kb 或 8kb）:永久性存储应用程序，掩模rom、eprom、eeprom;随机存取内存（128b、128b sfr）:在程序运行时存储工作变量和资料;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;串行输入/输出口（2 条）:串行通信、扩展 i / o 接口芯片;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;时钟电路:内振、外振;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：4kb2）内

20、 ram：128b3）外 rom：64kb4）外 ram：64kb5）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 128b11）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 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 4 -1)、主电源引脚：vss、vc

21、c。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 ： 07hsfr、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eprompsen：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

22、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

23、的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息的功能特点的功能特点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。是英国公司生产的全数字化三相发生器，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。中的 (机电一体化只能大流

24、量电动执行机构)- 5 -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、频率调整主要是将转换的数据经计算处理后去控制输出的电

25、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时,能使系统在延时一段时间后关闭，以达到关断输出的目的。短路保护程序可在外接负载大于额定负载时,立即关闭系统。由于本电路采用单片机及三相集成电路来进行设计,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。第三节第三节 智能逆变模块智能逆变模块 ipmipm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 55kw 的三相异步电机，其额定电压为 380v，功率因数为 075。经计算可知，选用日本产的智能功率模块 pm50rsa120 可

26、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。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 6 -2 2 ipmipm 的结构的结构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

27、 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。图 1-3 ipm 的内部功能框图 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 7 -图 1

28、-4 ipm 的内部结构ipm 内部电路不含防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路。为了保证 ipm 安全可靠。需要自己设计部分外围电路。3 3 ipmipm 的外部驱动电路设计的外部驱动电路设计ipm 的外部驱动电路是 ipm 内部电路和控制电路之间的接口,良好的外部驱动电路对以 ipm 构成的系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。由 ipm 内部结构图可见器件本身含有驱动电路所以只要提供满足驱动功率要求的 pwm 信号、驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。但是ipm 对驱动电路输出电压的要求很严格：驱动电压范围为135v165v电压低于 135v 将发生欠压保护电压高

29、于 165v 可能损坏内部部件;驱动信号频率为 5hz-20khz,且需采用电气隔离装置。防止干扰：驱动电源绝缘电压至少是 ipm 极间反向耐压值的 2 倍(2vces);驱动电流达 19ma一 26ma;驱动电路输出端的滤波电容不能太大这是因为当寄生电容超过 100pf时。噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。图 1-5 所示是一种典型的高可靠性 ipm 外部驱动电路方案。来自控制电路的 pwm 信号经 r1 限流再经高速光耦隔离并放大后接 ipm 内部驱动电路并控制开关管工作,fo 信号也经过光耦隔离输出。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。15v 电源,且接 1 只 10f 的退耦

30、电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。rl 根据控制电路的输出电流选取如用 dsp 产生 pwm则 r1 的阻值可为 330。r2 根据 ipm 驱动电流选值,一方面应尽可能小以避免高阻抗 ipm 拾取噪声另一方面又要足够可靠地控制 ipm。可在 2k68k 内选取。c1为 2 端与地间的 o1f 滤波电容器,pwm 隔离光耦的要求是tplho8f,trm10kvs,可选用 hcpia503 型、hcpia504 型、ps204l 型(nec)等高速光耦,且在光耦输入端接 1 只 o1 的退耦电容器(图中未画出)。fo 输出光耦可用低速光耦(如 pc817)。ipm 的内部引脚功能如表 1 所示

31、。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 8 -图 1-5 ipm 的外部驱动电路和引脚连接示意图图 1-5 的外部接口电路直接固定在 pcb 上且靠近模块输入脚以减少噪声和干扰pcb 上布线的距离应适当,避免开关时干扰引起的电位变化。另外,考虑到强电可能造成外部驱动电路到 ipm 引线的干扰,可以在引脚14 间,3-4 间,4-5 间根据干扰大小加滤波电容器。 4 4 ipmipm 的保护电路设计的保护电路设计由于，ipm 本身提供的保护电路不具备自保护功能所以要通过外围硬件或软件的辅助电路将内部提供的：fo 信号转换为封锁 ipm 的控制信号关断ipm,实现保护。41 硬件ipm 有故障

32、时,fo 输出低电平,通过高速光耦到达硬件电路,关断 pwm 输出,从而达到保护 ipm 的目的。具体硬件连接方式如下：在 pwm 接口电路前置带控制端的 3 态收发器(如 74hc245)。pwm 信号经过 3 态收发器后送至 ipm 接口电路ipm 的故障输出信号 fo 经光耦隔离输出送入与非门。再送到 3 态收发器使能端 oe。ipm 正常工作时与非门输出为低电平。3 态收发器选通;ipm 有故障时。与非门输出为高电平。3 态收发器所有输出置为高阻态。封锁各个 ipm 的控制信号关断 ipm实现保护。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 9 -42 软件ipm 有故障时fo 输出低电

33、平,fo 信号通过高速光耦送到控制器进行处理。处理器确认后。利用中断或软件关断 ipm 的 pwm 控制信号从而达到保护目的。如在基于 dsp 控制的系统中利用事件管理器中功率驱动保护引脚(pdpint)中断实现对 ipm 的保护。通常 1 个事件管理器严生的多路 pwm 可控制多个 ipm 工作其中每个开关管均可输出 fo 信号,每个开关管的 fo 信号通过与门当任一开关管有故障时输出低电平,与门输出低电平将该引脚连至 pdpint,由于pdpint 为低电平时 dsp 中断,所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态,从而达到保护目的。以上 2 种方案均利用 ipm 故障输出信号封锁 i

34、pm 的控制信号通道因而弥补了 ipm 自身保护的不足,有效地保护了器件。5 5 ipmipm 的缓冲电路设计的缓冲电路设计在 ipm 应用中,由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的didt、dvdt 和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击,易损坏器件因此需设置缓冲电路(即吸收电路),目的是改变器件的开关轨迹,控制各种瞬态过压,降低器件开关损耗保护器件安全运行。图 1-6 为常用的 3 种 ipm 缓冲电路。图 1-6(a)为单只无感电容器构成的缓冲电路,对瞬变电压有效且成本低,适用于小功率 ipm。图 1-6(b)为 rcd 构成的缓冲电路,适用于较大功率 ipm缓冲二极管 d 可箝住瞬变

35、电压,从而抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其 rc 时间常数应设计为开关周期的 13,即 r=t3=13f。图 1-6(c)为 p 型 rcd 和 n 型 rcd 构成的缓冲电路,适用于大功率 ipm。功能类似于图 1-6(b)所示的缓冲电路,其回路电感更小。若同时配合使用图 1-6(a)所示的缓冲电路。还能减小缓冲二极管的应力,缓冲效果更好。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 10 -图 1-6 常用的 imp 缓冲电路在图 1-6 中,当 igbt 关断时负载电流经缓冲二极管向缓冲电容器充电,同时集电极电流逐渐减少,由于电容器二端的电压不能突变所以有效地限制了igbt 集电极

36、电压上升率 dvdt。也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。igbt 集电极母线电感、电路及其元件内部的杂散电感在 igbt 开通时储存的能量,这时储存在缓冲电容器中。当 igbt 开通时,集电极母线电感以及其他杂散电感又有效地限制了 igbt 集电极电流上升率 didt同样也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。此时,缓冲电容器通过外接电阻器和 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 11 -igbt 开关放电,其储存的开关能量也随之在外接电阻器和电路、元件内部的电阻器上耗散。如此,便将 igbt 运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路最后在相关电阻器上以热的形式耗散,从而保护 i

37、gbt 安全运行。图 1-6 中的电阻值和电容值按经验数据选取：如 pm200dsa060 的电容值为0221xf-047xf,耐压值是 igbt 的 11 倍-15 倍,电阻值为 1020,电阻功率按 p=fcu2xlo-6 计算,其中 f 为 igbt 工作频率,u 为 igbt 的工作峰值电压。c为缓冲电路与电阻器串联电容。二极管选用快恢复二极管。为了保证缓冲电路的可靠性,可以根据功率大小选择封装好的图 1-6 所示的缓冲电路。另外,由于母线电感、缓冲电路及其元件内部的杂散电感对 ipm 尤其是大功率 ipm 有极大的影响,因此愈小愈好。要减小这些电感需从多方面人手：直流母线要尽量地短;

38、缓冲电路要尽可能地靠近模块;选用低电感的聚丙烯无极电容器、与 ipm 相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。6 6 ipmipm 在单相全桥逆变器中的应用在单相全桥逆变器中的应用图 1-7 所示的单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路包括逆变全桥和滤波电路,其中逆变全桥完成直流到交流的变换滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电;控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 12 -部分保护功能。图 1-7 单相全桥逆变电路图中的逆变全桥由 4 个开关管和 4 个续流二极管组成,工作时开关管在高频条件下通断开关瞬间开关管电压和电流变大,损耗大

39、,结温升高,加上功率回路寄生电感、振荡及噪声等极易导致开关管瞬间损坏,以往常用分立元件设计开关管的保护电路和驱动电路,导致电路庞大且不可靠。笔者采用一对 pm200dsa060 双单元 ipm 模块分别代替图中 vl、d1、v2、d2组合和 v3、d3、v4、d4 组合构成全桥逆变电路,利用 dsp 对 ipm 的控制,完成了中频率 20kw、230v 逆变器的设计和调试,采用了如上所述的驱动电路、中的缓冲电路和基于 dsp 控制的软件 ipm 保护电路。设计实践表明：使用 ipm 可简化系统硬件电路、缩短系统开发时间、提高可靠性、缩小体积,提高保护能力。第四节第四节 位置检测电路位置检测电路

40、位置检测电路的位置检测电路是执行机构的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制。导电塑料电位 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 13 -器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。第五节第五节 电压及电流检测电压及电流检测检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短

41、路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为050hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测 ipm 输出的三相电流，对于 ipm 输出电压的检测采用分压电路。图 1-8 ipm 输出电流和电压检测ipm 的主要特点：ipm 是将主开关器件、续流二极管、驱动电路、过电流保护电路、过热保护电路和短路保护电路以及驱动电源不足保护电路、接口电路等集成在同一封 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 14 -装内，形成的高度集成的智能功率集成电路。它的主要特点体现在控制功能、保护功能和接口功能方面。 (1)驱动电路：在 i

42、pm 内部设置了高性能的驱动电路，具有出现故障后自动软关断 igbt 的功能，同时，由于结构紧凑，驱动电路与 igbt 之间距离极短，抗干扰能力强，输出阻抗又很低，不需要加反偏压，简化了驱动电路电源，仅需提供 1 组下桥臂的公共电源和 3 组上桥臂的独立“浮地”电源。 (2)欠电压保护每个驱动电路都具有欠电压(w)保护功能。无论什么原因，只要驱动电路电源电压认 c 低于欠电压阂值 yuv 时间超过 10ms，ipm 就会关断，同时输出一个故障报警信号。 (3)过热保护：um 内部绝缘基板上设有温度传感器，当温度超过过热断开阔值时，ipm 内部的保护电路就会阻止门极驱动信号，不接受控制输入信号，

43、直至过热现象消失，保护器件不受损坏，同时输出过热故障信号。当温度下降到过热复位网值时，电路自动恢复正常工作。 (4)过电流、短路保护：ipm 中的 igbt 电流传感器是射极分流式，采样电阻上流过的电流很小，但与流过开关器件上的电流成正比例关系，从而取代了大功率电阻、电流互感器、霍尔电流传感器等电流检测组件。如果 um 中任意一igbt 的 c 极电流大于过电流动作电流时间超过 10lls 时，um 将软关断，并且输出过电流报警信号。 (5)制动电路:ipm 中设有 igbt 组成的制动电路。当 um 接收到制动信号后，通，接在制动端 bn 的制动电阻吸收电能，制动电路工作。 (6)使用方便制

44、动电路中的 igbt 导 um 采用陶瓷绝缘结构，直接安装在散热板上；直流输入(p、n)、制动单元输出(b)和变频输出端子直接用螺钉连接；输入、输出控制端子并排成一列，可用通用插座连接。所以主接线端子和控制端子都可直接拆卸，不需烙铁焊接，非常方便。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 15 -第六节第六节 通讯接口通讯接口为了实现计算机联网和远程控制，选用 max232 作为系统的串行通讯接口，max232 内部有两个完全相同的电平转换电路，可以把 8031 串行口输出的 ttl电平转换为 rs232 标准电平，把其它微机送来的 rs232 标准电平转换成ttl 电平给 8031，实现单片

45、机与其它微机间的通讯。max232 简介：使 max232 芯片是美信公司专门为电脑的 rs-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,用+5v 单电源供电。 图 1-9 max232 芯片结构引脚介绍：第一部分是电荷泵电路:由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 rs-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道:由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（r1in） 、12 脚（r1out） 、11 脚（t1in） 、14 脚（t1out）为第一数据通道。 8 脚（r2in） 、9 脚（

46、r2out） 、10 脚（t2in） 、7 脚（t2out）为第二数据通道。 ttl/cmos 数据从 t1in、t2in 输入转换成 rs-232 数据从t1out、t2out 送到电脑 db9 插头；db9 插头的 rs-232 数据从 r1in、r2in 输入转换成 ttl/cmos 数据后从 r1out、r2out 输出。 第三部分是供电:15 脚 gnd、16 脚 vcc（+5v） 。 主要特点：1、符合所有的 rs-232c 技术标准。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 16 -2、只需要单一 +5v 电源供电。 3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10v 和

47、-10v 电压v+、v-。4、功耗低，典型供电电流 5ma。 5、内部集成 2 个 rs-232c 驱动器。 6、内部集成两个 rs-232c 接收器。第七节第七节 时钟电路时钟电路时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路 ds12887。ds12887 内部有 114 字节的用户非易失性ram，可用来存入需长期保存的数据。采用 ds12887 芯片设计的时钟电路无需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。ds12887 芯片具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统中。采用 ds12887 芯片

48、设计的时钟电路无需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。ds12887芯片具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统中。ds12887 主要功能简介主要功能简介 （1）内含一个锂电池，断电后运行十年以上不丢失数据。 （2）计秒，分，时，天，星期，日，月，年，并有闰年补尝功能。 （3）二进制数码或 bcd 码表示时间，日历和定闹。 （4）12 小时或 24 小时制，12 小时时钟模式带有 pm 和 am 指示，有夏令时功能。 （5）motorola 和 intel 总线时序选择。 （6）有 128 个字节 ram 单元与软件接口，其中 14

49、 个字节作为时钟和控制寄存器，114 字节为通用 ram，所有 ram 单元数据都具有掉电保护功能。 （7）可编程方波信号输出。 （8）中断信号输出（irq）和总线兼容，定闹中断，周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 17 - 原理及引脚说明原理及引脚说明 ds12887 内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14 字节时钟和控制单元，114 字节用户非易失 ram，十进制/二进制累加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。ds12887 引脚分配： vcc：直流电源+5v 电压。当 5v

50、电压在正常范围内时，数据可读写；当 vcc低于 4.25v,读写被禁止，计时功能仍继续；当 vcc 下降到 3v 以下时，ram 和计时器供电被切换到内部锂电池。 mot（模式选择）：mot 引脚接到 vcc 时，选择 motorola-p.htm target=_blank title=motorola 货源和 pdf 资料motorola 时序，当接到gnd 时，选择 intel 时序。 sqw（方波信号输出）：sqw 引脚能从实时钟内部 15 级分频器的 13 个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器 a 编程改变。 ad0-ad7（双向地址/数据复用线）：总线接口，可与

51、motorola 微机系列和intel 微机系列接口。 as（地址选通输入）：用于实现信号分离，在 ad/ale 的下降沿把地址锁入ds12887。 ds（数据选通或读输入）：ds/rd 引脚有两种操作模式，取决于 mot 引脚的电平，当使用 motorola 时序时，ds 是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，ds 指示 ds12887 驱动双向总线的时刻；在写周期，ds 的后沿使 ds12887 锁存写数据。选择 intel 时序时，ds 称作（rd） ，rd 与典型存贮器的允许信号（oe）的定义相同。 r/w（读/写输入）：r/w 引脚也有两种操作模式。选 motor

52、ola 时序时，r/w 是低电平信号时，指示当前周期是读或写周期，ds 为高电平时，r/w 高电平指示读周期，r/w 信号一低电平信号，称为 wr。在此模式下，r/w 引脚与通用 ram 的写允许信号（we）的含义相同。 cs（片选输入）：在访问 ds12887 的总线周期内，片选信号必须保持为低。 irq（中断申请输入）：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断的条件满足时，irq 处于高阻态。irq 线是漏极开路输入，要求外接上接电阻。 reset（复位输出）：当该脚保持低电平时间大于 200ms，保证 ds12887 有效复位。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 18 -内部功能

53、内部功能 地址分配 ：ds12887 的地址由 114 字节的用户 ram 存放。10 字节的存放实时时钟时间，日历和定闹 ram 及用于控制和状态的 4 字节特殊寄存器组成，几乎所有的 128 个字节直接读写。 时间，日历和定闹单元：时间和日历信息通过读相应的内存字节来获取，时间，日历和定闹通过写相应的内存字节设置或初始化，其字节内容可以是二进制或 bcd 形式。时间可选择 12 小时制或 24 小时制，当选择 12 小时制时，小时字节的高门为逻辑“1”代表 pm。时间，日历和定闹字节是双缓冲的，总是可访问的。每秒钟这 10 个字节走时 1 秒，检查一次定闹条件，如在更新时，读时间和日历可能

54、引起错误，三个字节的定闹字节有两种使用方法。第一种，当定闹时间写入相应时，分，秒，定闹单元，在定允许闹位置高的条件下，定闹中断每天准时起动一次。第二种，在三个定闹字节中插入一个或多个不关心码。不关心码是任意从 o0 到 ff 的 16 进制数。当小时字节的不关心码位置位时，定闹为小时发生一次；同样，当小时和分钟定闹字节置不关心位时，每分钟定闹一次；当三个字节都置不关心位时，每秒中断一次。非易失 ram ：在 ds1288 中，114 字节通用非易失 ram 不专用一任何特殊功能，它们可被处理器程序用作非易失内存，在更新周期也可访问。中断 ：rtc 实时时钟加 ram 向处理器提供三个独立的，自

55、动的中断源。定闹中断的发生率可编程，从每秒一次到每天一次，周期性中断的发生率可从500ms 到 122s 选择。更新结束中断用于向程序指示一个更新周期完成。中断控制和状态位在寄存器 b 和 c 中，本文的其它部分将详细描述每个中断发生条件。 晶振控制位 ：ds12887 出厂时，其内部晶振被关掉，以防止钽电池在芯片装入系统前被消耗。寄存器 a 的 bit4-bit6 的其它组合都是使晶振关闭。 方波输出选择 ：15 级分频抽头中的 13 个可用于 15 选 1 选择器，选择分频器抽头的目的是在 sqw 引脚产生一个方波信号，其频率由寄存器 a 的 rs0-rs3 位设置。sqw 频率选择器与周

56、期中断发生器共有 15 选 1 选择器，一旦频率选择好，通过用程序控制方波输出允许位 sqwe 来控制 sqw 引脚输出的开关。 周期中断选择 ：周期中断可在 irq 脚产生 500ms 一次到每 122s 一次的中断，中断步率同样由寄存 a 确定，它的控制位为寄存器 b 中的 pie 位。ds12887 每一秒执行一次更新周期，保证时间、日历的准确。更新周期还比较每一定闹字节与相应的时间字节，如果匹配或三个字节都是不关心码，则产生 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 19 -一次定闹中断。 状态控制寄存器状态控制寄存器 ds12887 有 4 个控制寄存器，它们在任何时间都可访问，即使更

57、新周期也不例外。 寄存器 a uip：更新周期正在进行位。当 uip 为 1，更新转换将很快发生，当 uip 为0，更新转换至少在 244s 内不会发生。dv0、dv1、dv2：用于开关晶振和复位分频链。这些位的 010 唯一组合将打开晶振并充许 rtc 计时。 rs3、rs2、rs1、rs0：频率选择位，从 15 级频率器 13 个抽头中选一个，或禁止分频器输入。选择好的抽头用于产生方波（sqw 引脚）输出和周期中断，用户可以： （1）用 pie 位允许中断。 （2）用 sqwe 位允许并用相同的频率。第八节第八节 液晶显示单元液晶显示单元液晶显示单元是为了实现人机对话功能，选用 mgls1

58、2832 液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择，可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式，显示直观、清晰。这样就能更好的实行人机信息交换，更加清楚地了解当前机器的运行状态，便于人们的操作。 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 20 -第九节第九节 程序出格自恢复电路程序出格自恢复电路程序出格自恢复电路是为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用 max705 组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。图 1-10 程序出格自恢复电路工作原理为：一旦程序出格，wdo 由高变低，由于微分电路的作用，由“与非”门输

59、入引脚 2 变为高电平，引脚 2 电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过 p10 口向max705 的 wdi 引脚发正脉冲，使 wdo 引脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行程序出格自恢复电路 为了保证在镪干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用max705组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。第二章第二章 阀位及速度控制原理阀位及速度控制原理采用双环控制方案，其中内环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较，通过速度调节器改变 pwm 波发生器载波频率，实现电机的转速调节。速度调节器采

60、用模糊神经网络控制算法(具体内容另文叙述)。外环主要根据当前位置速度的设定，通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段。各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。速度给定发生器的工作原理为：通过比较实际阀 (机电一体化只能大流量电动执行机构)- 21 -位与给定阀位，当二者不相等时，以恒定加速度加速，减速点根据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小计算得来。阀位及速度控制（图 2-1）采用双环控制方案，其中内环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较