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、成都电子机械高等专科学校成教院毕 业 设 计论 文论文题目： 机电一体化智能大流量电动执行机构教 学 点： 指导老师： 职 称： 讲师 学生姓名： 学 号: 专 业： 机电一体化技术2011年 1 月 13 日成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计论文任务书题目：机电一体化智能大流量电动执行机构任务与要求： 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根本结构与组成原理。学习单片机、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的相关理论知识和实践操作。从而到达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。为中国的机械工业奉献自

2、己的一份力量。时间： 2010 年 11 月 20 日 至 2011 年 1月 13日 共 7 周教 学 点： 学生姓名： 学 号： 专业： 机电一体化技术指导单位或教研室： 指导教师： 职 称： 毕业设计(论文)进度方案表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字11月20日至11月25日题目拟定11月27日至12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度方案实施情况总评本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘要 提出一种新型电动执行机构的设计方案，详

3、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。现场运行情况说明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和 HYPERLINK :/ 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局部。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

4、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，系统的平安性较差，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于控制电机正、反转的接触器和可控

5、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。实际运行说明，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 soluti

6、on to the problem. The actuator valve, servo electrical mechanism ware xed, using 8031 technology 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 tech

7、nical problems. Site operation shows that the electric actuators offer fast, protect perfect 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 do

8、mestic big flow of electric actuators exist control backward, mechanical transmission mechanism, 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

9、 deceleration ratio, once they are out, this one is not adjustable speed, its generality fixed 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

10、 networking. In view of the above reasons, the traditional big flow of electric actuators, 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

11、 production requirement. The author design of large discharge and electric actuators, adopt 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, a

12、nd the realization of the valve movement speed, accurate positioning, flexible switch and 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 comp

13、licated or costly cabinet and distribution cabinets, have fast, protection is comparatively perfect, facilitate and computer networking, etc. Practical application shows that the actuators work stable, reliable performance. Key words：Electric actuators、valves、position control目录 TOC o 1-3 h z u HYPER

14、LINK l _Toc281335885 第一章 电动执行机构的硬件设计及工作原理 PAGEREF _Toc281335885 h - 1 - HYPERLINK l _Toc281335886 第三节 智能逆变模块IPM PAGEREF _Toc281335886 h - 5 - HYPERLINK l _Toc281335887 第四节 位置检测电路 PAGEREF _Toc281335887 h - 12 - HYPERLINK l _Toc281335888 第五节 电压及电流检测 PAGEREF _Toc281335888 h - 12 - HYPERLINK l _Toc28133

15、5889 第六节 通讯接口 PAGEREF _Toc281335889 h - 14 - HYPERLINK l _Toc281335890 第七节 时钟电路 PAGEREF _Toc281335890 h - 15 - HYPERLINK l _Toc281335891 第八节 液晶显示单元 PAGEREF _Toc281335891 h - 19 - HYPERLINK l _Toc281335892 第九节 程序出格自恢复电路 PAGEREF _Toc281335892 h - 19 - HYPERLINK l _Toc281335893 第二章 阀位及速度控制原理 PAGEREF _T

16、oc281335893 h - 20 - HYPERLINK l _Toc281335894 第三章 关键技术问题的解决 PAGEREF _Toc281335894 h - 22 - HYPERLINK l _Toc281335895 第一节 阀门柔性开关 PAGEREF _Toc281335895 h - 22 - HYPERLINK l _Toc281335896 第二节 电机保护的实现 PAGEREF _Toc281335896 h - 23 - HYPERLINK l _Toc281335897 第三节 准确定位 PAGEREF _Toc281335897 h - 24 - HYPER

17、LINK l _Toc281335898 第四节 模拟信号的隔离 PAGEREF _Toc281335898 h - 26 - HYPERLINK l _Toc281335899 结束语 PAGEREF _Toc281335899 h - 27 - HYPERLINK l _Toc281335900 谢 辞 PAGEREF _Toc281335900 h - 28 - HYPERLINK l _Toc281335901 参考文献 PAGEREF _Toc281335901 h - 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局部和执

18、行驱动局部。控制局部主要由单片机、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。执行驱动局部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公司生产的8031单片机，它主要通过并行

19、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，向控制系统反应信号；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;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、

20、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 / O32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RAM：128B3外ROM：64KB4外RAM：64KB5I / 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存放器区：工作存放器区、

21、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

22、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Vpp4)、输入/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

23、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、幅值等控制信息的功能特点控制技术是通过控制电路按一定 HYPERLINK :/ 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 HYPERLINK :/ studa / 方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比拟复杂,且有温漂现象，会 HYPERLINK :/ 影响精度,降低系统的性能。数字方法那

24、么是按照不同的数字模型用 HYPERLINK :/ 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

25、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到达额定负载的时,能使系统在延时一段时间后关闭，以到达关断输出的目的。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本钱,提高了可靠性。第三节 智能逆变模块IPM智能逆变

26、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(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I

27、PM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

28、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平安可靠。需要自己设计局部外围电路。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、可靠性和平安性都有重要意义。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于165V可能损坏内

29、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根据控制电路的输出电流选取如用D

30、SP产生PWM那么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防止高阻抗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。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

31、离应适当,防止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 IPM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,从而到达保护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

32、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。42 软件IPM有故障时FO输出低电平,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控制信号从而到达保护目的。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

33、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,从而到达保护目的。以上2种方案均利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道因而弥补了IPM自身保护的缺乏,有效地保护了器件。5 IPM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平安运行。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

34、,对瞬变电压有效且本钱低,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。假设同时配合使用图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。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

35、所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dvdt。也防止了集电极电压和集电极电流同时到达最大值。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同样也防止了集电极电压和集电极电流同时到达最大值。此时,缓冲电容器通过外接电阻器和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IGBT平安运行。图1-6中的电阻值和电容值按经

36、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;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

37、电阻器。6 IPM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局部保护功能。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,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

38、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。设计实践说明：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 位置检测电路位置检测电路的位置检测电路是执行机构的重要组成局部，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

39、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 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、

40、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缺乏保护电路、接口电路等集成在同一封装内，形成的高度集成的智能功率集成电路。它的主要特点表达在控制功能、保护功能和接口功能方面。 (1)驱动电路：在IPM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

41、，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，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

42、: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。第六节 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

43、转换成TTL电平给8031，实现单片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：第一局部是电荷泵电路: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，提供应RS-232串口电平的需要。 第二局部是数据转换通道: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R2OUT、10脚T2IN、7脚T2OUT为

44、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。 第三局部是供电:15脚GND、16脚VCC+5v。 主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准。 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-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 时钟电路时钟电路主要用

45、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 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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。 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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

46、系统中。采用 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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。 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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。 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887主要功能简介

47、1内含一个锂电池，断电后运行十年以上不丧失数据。 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。 412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。 5Motorola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个字节作为时钟和控制存放器，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。 原理及引脚说明 HYPERLINK :/ ic37

48、 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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局部组成。 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887引脚分配： Vcc：直流电源+5V电压。当5V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

49、部锂电池。 MOT模式选择：MOT引脚接到Vcc时，选择 HYPERLINK :/ ic37 /%3ca%20href= o MOTOROLA货源和PDF资料 t _blank MOTOROLA-p.htm target=_blank title= HYPERLINK :/ ic37 /MOTOROLA-p.htm o MOTOROLA货源和PDF资料 t _blank MOTOROLA货源和PDF资料 HYPERLINK :/ ic37 /MOTOROLA-p.htm o MOTOROLA货源和PDF资料 t _blank MOTOROLA时序，当接到GND时，选择Intel时序。 SQW方

50、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存放器A编程改变。 AD0-AD7双向地址/数据复用线：总线接口，可与Motorola微机系列和Intel微机系列接口。 AS地址选通输入：用于实现信号别离，在AD/ALE的下降沿把地址锁入 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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，

51、DS指示 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887驱动双向总线的时刻；在写周期，DS的后沿使 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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Motorola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

52、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 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887

53、有效复位。 内部功能 地址分配 ： HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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字节特殊存放器组成，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，中选择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

54、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

55、断 ：RTC实时时钟加RAM向处理器提供三个独立的，自动的中断源。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存放器B和C中，本文的其它局部将详细描述每个中断发生条件。 晶振控制位 ： HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 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。存放器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

56、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，其频率由存放器A的RS0-RS3位设置。SQW频率选择器与周期中断发生器共有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，中断步率同样由存放A确定，它的控制位为存放器B中的PIE位。 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887每一秒执行一次更新周期，保证时间、日历的准确。更新周期还比拟每一定闹字节与相应的时间字节

57、，如果匹配或三个字节都是不关心码，那么产生一次定闹中断。 状态控制存放器 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887有4个控制存放器，它们在任何时间都可访问，即使更新周期也不例外。 存放器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唯一组合将翻开晶振并充许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

58、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 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MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单项选择择，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。第九节 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

59、-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 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拟，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。速度调节器采用模糊神经网络控制算法(具体内容另文表达)。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：通过比拟实际阀位与给定阀位，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拟，