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1、泰山职业技术学院摘要 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
2、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
3、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-
4、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 -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控制系统原理。智能执行机构从结构上主要分为控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PW
5、M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.
6、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;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
7、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1)、主电源
8、引脚：Vss、Vcc。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)、输入/输出引脚：P
9、0-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
10、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
11、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
12、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 智能逆变模块IPM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(Int
13、elligent 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。2 IPM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
14、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的内部功能框图图1-4 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 IPM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
15、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的退耦电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。Rl根据控制
