机电一体化智能大流量电动执行机构介绍

1、机电一体体化智能能大流量量电动执执行机构构（图）【摘要】提出一一种新型型电动执执行机构构的设计计方案，详细介介绍了该该执行机机构各功功能元件件的选型型与设计计、阀位位及速度度控制原原理以及及各种关关键问题题的解决决方法。该执行行机构将将阀门、伺服电电机、控控制器合合为一体体，采用用80331单片片机、变变频技术术实现了了阀门的的动作速速度和位位置控制制，解决决了阀门门的精确确定位、阀门柔柔性开关关、极限限位置判判断、电电机保护护及模拟拟信号隔隔离等技技术问题题。现场场运行情情况表明明，该电电动执行行机构具具有动作作快、保保护完善善以及便便于和计计算机通通讯等优优点。1引引言 在在现代化化生产过

2、过程控制制中，执执行机构构起着十十分重要要的作用用，它是是自动控控制系统统中不可可缺少的的组成部部分。现现有的国国产大流流量电动动执行机机构存在在着控制制手段落落后、机机械传动动机构多多、结构构复杂、定位精精度低、可靠性性差等问问题。而而且执行行机构的的全程运运行速度度取决于于其电机机的输出出轴转速速和其内内部减速速齿轮的的减速比比，一旦旦出厂，这一速速度固定定不可调调整，其其通用性性较弱。整个机机构缺乏乏完善的的保护和和故障诊诊断措施施以及必必要的通通信手段段，系统统的安全全性较差差，不便便与计算算机联网网。鉴于于以上原原因，采采用传统统的大流流量电动动执行机机构的控控制系统统，可靠靠性和稳

3、稳定性较较差。随随着计算算机网络络、现场场总线等等技术在在工业过过程中的的应用，这种执执行机构构已远远远不能满满足工业业生产的的要求。笔者设设计的大大流量电电动执行行机构，采用机机电一体体化技术术，将阀阀门、伺伺服电机机、控制制器合为为一体，利用异异步电动动机直接接驱动阀阀门的开开与关。通过内内置变频频器，采采用模糊糊神经网网络，实实现阀门门的动作作速度、精确定定位、柔柔性开关关以及电电机转矩矩等控制制。该电电动执行行机构省省去了用用于控制制电机正正、反转转的接触触器和可可控硅换换向开关关模件、机械传传动装置置和复杂杂、昂贵贵的控制制柜和配配电柜，具有动动作快、保护较较完善、便于和和计算机机联

4、网等等优点。实际运运行表明明，该执执行机构构工作稳稳定，性性能可靠靠。 22电动动执行机机构的硬硬件设计计及工作作原理电动执执行机构构控制系系统原理理框图如如图2-1所示示。智能能执行机机构从结结构上主主要分为为控制部部分和执执行驱动动部分。 控制制部分主主要由单单片机、PWMM波发生生器、IIPM逆逆变器、A/DD、D/A转换换模块、整流模模块、输输入输出出通道、故障检检测和报报警电路路等组成成。执行行驱动部部分主要要包括三三相伺报报电机和和位置传传感器。 系统工作作原理： 霍尔尔电流、电压传传感器及及位置传传感器检检测到的的逆变模模块三相相输出电电流、电电压及阀阀门的位位置信号号，经AA/

5、D转转换后送送入单片片机。单单片机通通过82255控控制PWWM波发发生器，产生的的PWMM波经光光电耦合合作用于于逆变模模块IPPM，实实现电机机的变频频调速以以及阀位位控制。逆变模模块工作作时所需需要的直直流电压压信号由由整流电电路对3380VV电源进进行全桥桥整流得得到。控制系系统各功功能元件件的选型型与设计计： 11) 单单片机选用IINTEEL公司司生产的的80331单片片机，它它主要通通过并行行82555口担担负控制制系统的的信号处处理：接接收系统统对转矩矩、阀门门开启、关闭及及阀门开开度等设设定信号号，并提提供三相相PWMM波发生生器所需需要的控控制信号号；处理理IPMM发出的的

6、故障信信号和报报警信号号；处理理通过模模拟输入入口接收收的电流流、电压压、位置置等检测测信号；提供显显示电动动执行机机构的工工作状态态信号；执行控控制系统统来的控控制信号号，向控控制系统统反馈信信号；2)三三相PWWM波发发生器PWMM波的产产生通常常有模拟拟和数字字两种方方法。模模拟法电电路复杂杂，有温温漂现象象，精度度低，限限制了系系统的性性能；数数字法是是按照不不同的数数字模型型用计算算机算出出各切换换点，并并存入内内存，然然后通过过查表及及必要的的计算产产生PWWM波，这种方方法占用用的内存存较大，不能保保证系统统的精度度。为了了满足智智能功率率模块所所需要的的PWMM波控制制信号，保

7、证微微处理器器有足够够的时间间进行整整个系统统的检测测、保护护、控制制等功能能，文中中选用MMITEEL公司司生产的的SA882822作为三三相PWWM发生生器。SSA82282是是专用大大规模集集成电路路，具有有独立的的标准微微处理器器接口，芯片内内部包含含了波形形、频率率、幅值值等控制制信息。 3)智能逆逆变模块块IPMM为了了满足执执行机构构体积小小，可靠靠性高的的要求，电机电电源采用用智能功功率模块块IPMM。该执执行机构构主要适适用功率率小于555kkW的三三相异步步电机，其额定定电压为为3800V，功功率因数数为075。经计算算可知，选用日日本产的的智能功功率模块块PM550RSS

8、A1220可以以满足系系统要求求。该功功率模块块集功率率开关和和驱动电电路、制制动电路路于一体体，并内内置过电电流、短短路、欠欠电压和和过热保保护以及及报警输输出，是是一种高高性能的的功率开开关器件件。 44) 位位置检测测电路位置检检测电路路是执行行机构的的重要组组成部分分，它的的功能是是提供准准确的位位置信号号。关键键问题是是位置传传感器的的选型。在传统统的电动动执行机机构中多多采用绕绕线电位位器、差差动变压压器、导导电塑料料电位器器等。绕绕线电位位器寿命命短被淘淘汰。差差动变压压器由于于线性区区太短和和温度特特性不理理想而受受到限制制。导电电塑料电电位器目目前较为为流行，但它是是有触点点

9、的，寿寿命也不不可能很很长，精精度也不不高。笔笔者采用用的位置置传感器器为脉冲冲数字式式传感器器，这种种传感器器是无触触点的，且具有有精度高高、无线线性区限限制、稳稳定性高高、无温温度限制制等特点点。 55)电压压、电流流及检测测检测测电压、电流主主要是为为了计算算电机的的力矩，以及变变频器输输出回路路短路、断相保保护和逆逆变模块块故障诊诊断。由由于变频频器输出出的电流流和电压压的频率率范围为为0550Hzz，采用用常规的的电流、电压互互感器无无法满足足要求。为了快快速反映映出电流流的大小小，采用用霍尔型型电流互互感器检检测IPPM输出出的三相相电流，对于IIPM输输出电压压的检测测采用分分压

10、电路路。如图图2-22所示。 6) 通通讯接口口为了了实现计计算机联联网和远远程控制制，选用用MAXX2322作为系系统的串串行通讯讯接口，MAXX2322内部有有两个完完全相同同的电平平转换电电路，可可以把880311串行口口输出的的TTLL电平转转换为RRS2232标标准电平平，把其其它微机机送来的的RS2322标准电电平转换换成TTTL电平平给80031，实现单单片机与与其它微微机间的的通讯。 7)时钟电电路时时钟电路路主要用用来提供供采样与与控制周周期、速速度计算算时所需需要的时时间以及及日历。文中选选用时钟钟电路DDS1228877。DSS128887内内部有1114字字节的用用户非

11、易易失性RRAM，可用来来存入需需长期保保存的数数据。8)液液晶显示示单元为了实实现人机机对话功功能，选选用MGGLS1128332液晶晶显示模模块组成成显示电电路。采采用组态态显示方方式。通通过菜单单选择，可分别别对阀门门、力矩矩、限位位、电机机、通讯讯和参数数等信号号进行设设置或调调试。并并采用文文字和图图形相结结合的方方式，显显示直观观、清晰晰。 99)程序序出格自自恢复电电路为为了保证证在强干干扰下程程序出格格时系统统能够自自动地恢恢复正常常，选用用MAXX7055组成程程序出格格自恢复复电路，监视程程序运行行。如图图2-33所示，该电路路由MAAX7005、与与非门及及微分电电路组成

12、成。 工作原理理为：一一旦程序序出格，WDOO由高变变低，由由于微分分电路的的作用，由“与与非”门门输入引引脚2变变为高电电平，引引脚2电电平的这这种变化化使“与与非”门门输出一一个正脉脉冲，使使单片机机产生一一次复位位，复位位结束后后，又由由程序通通过P110口口向MAAX7005的WWDI引引脚发正正脉冲，使WDDO引脚脚回到高高电平，程序出出格自恢恢复电路路继续监监视程序序运行。 3阀位及及速度控控制原理理 阀位位及速度度控制原原理框图图如图33-1所所示。采用双环环控制方方案，其其中内环环为速度度环，外外环为位位置环。速度环环主要将将当前速速度与速速度给定定发生器器送来的的设定速速度相

13、比比较，通通过速度度调节器器改变PPWM波波发生器器载波频频率，实实现电机机的转速速调节。速度调调节器采采用模糊糊神经网网络控制制算法(具体内内容另文文叙述)。 外外环主要要根据当当前位置置速度的的设定，通过速速度给定定发生器器向内环环提供速速度的设设定值。由于大大流量阀阀执行机机构在运运行过程程中存在在加速、匀速、减速等等阶段。各阶段段的时间间长短、加速度度的大小小、在何何位置开开始匀速速或减速速均与给给定位置置、当前前位置以以及运行行速度有有关。速速度给定定发生器器的工作作原理为为：通过过比较实实际阀位位与给定定阀位，当二者者不相等等时，以以恒定加加速度加加速，减减速点根根据当前前速度、阀

14、位值值、阀位位给定值值的大小小计算得得来。执行机机构各阶阶段运行行速度的的计算原原理 图3-22为执行行机构的的典型运运行速度度图，它它由若干干段变化化速率不不同的折折线组成成。将曲曲线上速速率开始始发生改改变的那那一点称称为起始始段点，相应的的时间称称为段起起始时间间，如图图3-22中的tt(i)(i0，11，2，)，相应应的速度度称为段段起始速速度，如如图3-2所示示V(ii)(ii0，1，22，)。 设设第i段段速度的的变化速速率为kki，则则有：式中：v为两两段点之之间的速速度变化化值，vvvi11vii； t为两两段之间间的时间间，tttii1ti。 显然然，当kki00时为恒恒速段

15、，ki0时为为升速段段，kii0时时为减速速段。任任意时刻刻的速度度给定值值为：Ts为采采样周期期。 变变化速率率ki的的取值由由给定位位置、当当前位置置以及运运行速度度的大小小确定。 4关键技技术问题题的解决决 该电电动执行行机构采采用了最最新的变变频调速速技术，电机驱驱动功率率小于555kkW。用用户可根根据需要要设定力力矩特性性，根据据控制的的阀设定定速度，速度分分多转式式、直行行程、角角行程33种方式式。控制制系统由由阀位给给定和阀阀位反馈馈信号构构成的闭闭环系统统，控制制特性视视运行方方式、速速度而定定，并具具有自动动过流保保护、过过载保护护、超压压、欠压压、过热热、缺相相、堵转转等

16、保护护功能。 该执执行机构构解决的的关键性性技术问问题主要要有：1) 阀门柔柔性开关关柔性性开关主主要是为为了当阀阀关闭或或全开时时，保证证阀门不不卡死与与损伤。执行机机构内部部的微处处理器根根据测得得的变频频器输出出电压和和电流，通过精精确计算算，得出出其输出出力矩。一旦输输出力矩矩达到或或大于设设定的力力矩，自自动降低低速度，以避免免阀门内内部过度度的撞击击，从而而达到最最优关闭闭，实现现过力矩矩保护。 2)阀位的的极限位位置判断断阀位位的极限限位置是是指全开开和全关关位置。在传统统执行机机构中，该位置置的检测测是通过过机械式式限位开开关获得得的。机机械式限限位开关关精度低低，在运运行中易

17、易松动，可靠性性差。在在文中，电动执执行机构构极限位位置通过过检测位位置信号号的增量量获得。其原理理是，单单片机将将本次检检测的位位置信号号与上次次检测的的信号相相比较，如果未未发生变变化或变变化较小小，即认认为己达达到极限限位置，立即切切断异步步电机的的供电电电源，保保证阀门门的安全全关闭或或全开。省去了了机械式式限位开开关，无无需在调调试时对对其进行行复杂的的调整。 3)电机保保护的实实现为为了防止止电机因因过热而而烧毁，单片机机通过温温度传感感器连续续检测电电机的实实际运行行温度，如果温温度传感感器检测测到电机机温度过过高，自自动切断断供电电电源。温温度传感感器内置置于电机机内部。 4)

18、准确定定位传传统的电电动执行行机构在在异步电电机通电电后会很很快达到到其额定定动作速速度，当当接近停停止位置置时，电电机断电电后，由由于机械械惯性，其阀门门不可能能立即停停下来，会出现现不同程程度的超超程，这这一超程程通常采采用控制制电机反反向转动动来校正正。机电电一体化化的大流流量电动动执行机机构根据据当前位位置与给给定位置置的差值值以及运运行速度度的大小小超前确确定减速速点的位位置及减减速段变变化速率率ki，使阀门门在较低低的速度度下实现现精确的的微调和和定位，从而将将超程降降到最低低。 55)模拟拟信号的的隔离。 对于于变频器器的直流流电压以以及输出出的三相相电压，它们之之间的地地址不一一致，存存在着较较高的共共模电压压，为了了保证系系统的安安全性，必须将将它们彼彼此相互互隔离。采用LLM3558和 4N225组成成了隔离离线性放放大电路路。如图图4-11所示，采用15VV和112V两两组独立立的正负负电源。若运放放A的反反相端电电位由于于扰动而而正向偏偏离虚地地，则运运放A输输出端的的电位将将降低，因而光光电耦合合器的发发光强度度将增强强，则使使其集射射极电压压减小，最后使使运放AA反相端端的电位位降低，回到正正常状态态。若AA的反相相端电位位负向偏偏离虚地地，也可可以重回回到正常常状态。从而增增强了系系统的抗抗干扰性性。 5结束束语 该该执行机机构集微微机技术术和执行行