机电一体化智能大流量电动执行机构说明

1、1 / 14机电一体化智能大流量电动执行机构（图）【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、 阀位及速度操纵原理以及各 种关键问题的解决方法。该执行机构将阀门、伺服电机、操纵器 合为一体，采纳8031单片机、变频技术实现了阀门的动作速度 和位置操纵，解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置 推断、电机爱护及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、 爱护完善以及便于和计算机通讯等 优点。1引言在现代化生产过程操纵中， 执行机构起着十分重要的作用， 它是 自动操2 / 14纵系统中不可缺少的组成部分。 现有的国

2、产大流量电动执 行机构存在着操纵手段落后、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爱护 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。 鉴于以上缘故， 采纳传统的大流量电动执行机构 的操纵系统，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， 采纳机电一体化 技术，将阀门、伺服电机、操纵器合为一体，

3、利用异步电动机直 接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采纳模糊神经网络，实 现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等操纵。该电动执行机构省去了用于操纵电机正、 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、昂贵的操纵柜和配电柜，具有动作快、爱护较完善、便于和计算机联网等优点。实际运行3 / 14表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。2电动执行机构的硬件设计及工作原理电动执行机构操纵系统原理框图如图2-1所示。智能执行机构从结构上要紧分为操纵部分和执行驱动部分。操纵部分要紧由单片机、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

4、等组成。执行驱动部分要紧包括三相伺报电机和位置传感器。阳2-1电訪恆竹机恂忡曲吊址慣即系统工作原理: 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卄LI n町箜0卜 T 榭用.时 T 谄拆二两丽b-14 / 14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操纵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操纵。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。操纵系统各功能元件的选型与设计：1)单片机 选用INTEL公司生产的8031单片机，它要紧通过并 行8255口担负操纵系统的

5、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 要的操纵信号； 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； 执行操纵系统来的操纵信号， 向操纵 系统反馈信号；2)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，5 / 14不能保证系统的精度。 为了满足智能功率模块

6、所需要的PWM波操纵信号， 保证微处理器有足够的时刻进行整个系统的检 测、 爱护、 操纵等功能，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、幅值等操纵 信息。3)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，电机电源采纳智能功率模块IPM。该执行机构要紧适用功率 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PM50RSA12能够满足系统要求。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

7、电压和过热爱护以及报警输出， 是一种高性能的功率开关器件。4)位置检测电路 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6 / 14型。在传统的电动执行机构中多采纳绕线电位器、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。导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能专门长，精度也不高。 笔者采纳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。5）电压、电流及检测检测电压、电流要紧是为了计算电机的力 矩，以及变频器输出回路短路、断恩爱护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压