机电一体化智能大流量电动执行机构设计论文

1、毕业设计（论文）论文题目：机电一体化智能大流量电动执行器摘要提出了一种新型电动执行机构的设计方案，详细介绍了执行机构各功能元件的选择与设计、阀位调速控制原理以及各种关键问题的解决方法。该执行器集成了阀门和伺服电机制动器，采用8031技术实现阀门动作速度和位置控制。现场操作表明，电动执行器具有 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20/pc/ 动作快、保护完善、与计算机通讯方便等优点。在现代生产过程控制中，执行器起着非常重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。国内现有的大流量电动执行器存在控制方式落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题

2、。此外，执行器的整体运行速度取决于其电机的输出轴转速及其部分减速器的减速比。一旦出厂，这个速度是固定的，无法调整，通用性较弱。整个组织缺乏完善的保护和故障诊断措施，缺乏必要的通信手段，系统安全性差，不方便与计算机联网。鉴于以上原因，采用传统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，这种执行器已经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器采用机电一体化技术，集阀门、伺服点机和控制器于一体，采用异步电动机直接驱动阀门的启闭。通过设置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、精确定位、灵活切换和电机转矩控制。该电动执行器省去了用

3、于控制电机正反转的接触器和晶闸管换向开关模块、机械传动装置和复杂昂贵的控制柜和配电柜，具有动作快速、保护完善的优点。 ，方便和电脑联网等优点。实际运行表明，执行器工作稳定，性能可靠。关键词：电动机构、阀门、位置控制执行目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc281335885 第一章 电动执行器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

4、 4 节 位置检测电路 PAGEREF _Toc281335887 h - 12 - HYPERLINK l _Toc281335888 第五节电压电流检测 PAGEREF _Toc281335888 h - 12 - HYPERLINK l _Toc281335889 第 6 节 通讯接口 PAGEREF _Toc281335889 h - 14 - HYPERLINK l _Toc281335890 第 7 节 时钟电路 PAGEREF _Toc281335890 h - 15 - HYPERLINK l _Toc281335891 第八节液晶显示单元 PAGEREF _Toc281335

5、891 h - 19 - HYPERLINK l _Toc281335892 第九节 程序异常自恢复电路 PAGEREF _Toc281335892 h - 19 - HYPERLINK l _Toc281335893 第二章阀位和速度控制原理 PAGEREF _Toc281335893 h - 20 - HYPERLINK l _Toc281335894 第三章 关键技术问题的解决方案 PAGEREF _Toc281335894 h - 22 - HYPERLINK l _Toc281335895 第一个阀门柔性开关 PAGEREF _Toc281335895 h - 22 - HYPERL

6、INK 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 - HYPERLINK l _Toc281335898 第四节模拟信号的隔离 PAGEREF _Toc281335898 h - 26 - HYPERLINK l _Toc281335899 结论 PAGEREF _Toc281335899 h - 27 - HYPERLINK l _Toc281335900 演讲 PAGEREF _Toc28

7、1335900 h - 28 - HYPERLINK l _Toc281335901 参考文献 PAGEREF _Toc281335901 h - 29 -第一章 电动执行器硬件设计及工作原理电动执行器控制系统原理。智能执行器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服电机和位置传感器。系统如何运作：霍尔电流、电压传感器和位置传感器检测到的逆变模块的三相输出电流、电压和阀位信号经过A/D转换后送到单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生

8、的PWM波通过光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机变频调速，控制阀位。逆变模块所需的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。控制系统各功能部件的选择与设计。第 1 节 微控制器选用INTEL公司生产的8031单片机，主要负责通过并行8255口对控制系统进行信号处理：接收系统的扭矩、开阀、关阀、开阀等设定信号，并提供所需的三相PWM波发生器。处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入端口接收到的电流、电压、位置等检测信号；提供表示电动执行器工作状态的信号；系统反馈信号；MCS-518031微控制器简介：MCS-51 8031单片机的结构及特点图1-1为INTER MCS

9、-51 8031单片机结构图中央处理器（8位） ：数据处理、测试位、置位、复位、位操作；只读存储器（4KB或8KB） ：永久存储应用程序、掩模ROM、EPROM、EEPROM ；随机存取存储器（128B、128B SFR） ：存储程序运行时的工作变量和数据；并行输入/输出端口（I/O）（32个） ：用于系统总线、扩展外存、I/O接口芯片；串口输入/输出端口（2个） ：串口通讯，扩展I/O接口芯片；定时器/计数器（16位，加1个计数） ：满溢出，中断标志置位，向CPU请求中断，与CPU独立工作；时钟电路：振动、外部振动；中断系统：五源中断，2级优先级。结构特点：MCS-51系列单片机为哈佛结构（

10、不是普林斯顿结构）1) 只读存储器：4KB2）内存：128B3) 外部ROM：64KB4) 外部 RAM：64KB5）I/O线：32（4个端口，每个端口8个）6) 定时器/计数器：2个16位可编程定时器/计数器7）串口：全双工，2个8）寄存器区：工作寄存器区，在128B RAM中，分为4个区，9）中断源：5源中断，2优先级10）堆栈：128B最深11）布尔处理器：位处理器，一个位单独处理12）教学系统：五类，111项。MCS-58031 单片机2个MCU外部引脚图1-2 2为INTER MCS-51 8031单片机的外部引脚结构图1)、主电源引脚：Vss 、 Vcc。2)、外部晶振引脚： XT

11、AL1、XTAL2 。3）、控制或复位引脚： RST/VPD高电平两个机器周期后，单片机复位。P0 - P3：输出高电平SP：07HSFR、PC：清0不影响RAM状态，机器从地址0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：外部程序存储器的读选通信号端。 EA/VPP：EA=1，访问部分程序存储当PC值超出ROM范围（0FFFH）时，程序会自动转移到外部存储程序EA=0，只访问外部程序存储。 8751机器，可加21V编程电源（Vpp）4) 输入/输出引脚： P0 - P3：四个 I/O 端口，每个端口 8 线，公共 32 线。第二相P

12、WM波发生器三相PWM波发生器 PWM波的产生通常有两种方法：模拟和数字。模拟法电路复杂，有温漂，精度低，限制了系统的性能；数字法是利用计算机根据不同的数字模型计算出每个开关点，并存储在内存中，然后通过查表和必要的计算生成PWM波。 ，这种方法占用大量内存，无法保证系统的准确性。为满足智能电源模块所需的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间来执行整个系统的检测、保护和控制等功能，选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM 发生器。 SA8282是具有独立标准微处理器接口的专用大规模集成电路。芯片包含波形、频率、幅度等控制信息。SA8282的特点PWM控制技术是通过控制电路按一定 H

13、YPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20/ 规律控制开关管的通断，从而得到一组等幅不等宽的矩形脉冲波形，使其接近正弦电压波形。有两种 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20/ 方法：模拟方法和数字方法。模拟法的电路比较复杂，存在温漂现象，会 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20/ 影响精度，降低系统性能。数字法是利用计算机根据不同的数字模型计算出每个开关点 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20/pc/ 并存储在内存中，然后通过查表和必要的计算生成PWM波。有一

14、个矛盾。 SA8282是英国MITEL公司生产的全数字三相PWM发生器。频率范围宽，精度高。可与微处理器接口，完成外围控制功能，实现智能化。 SA8282中的各相输出控制电路由脉冲抵消电路和脉冲延迟电路组成。脉冲抵消电路用于去除脉冲宽度小于抵消时间的脉冲，以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。延迟电路可以保证死区时间间隔，它的作用是在任意相位改变两个开关器件的状态时提供一个很短的延迟时间，使两个开关在这段时间内处于关断状态，从而防止桥臂开关元件在转换瞬间共用（两个开关在状态转换期间导致击穿）。在软件主程序中， SA8282初始化指令和控制指令的参数计算和设置主要用于确定频率调节范围、死区时

15、间、输出电压幅值和中心频率。软启动决定了系统开机时输出电压由低到低的渐变过程。电压和频率调整主要是对经过A/D转换的数据进行计算处理后，控制SA8282输出的电压和频率。过载保护程序的作用是当外部负载达到额定负载的120%时，可以使系统延时一段时间后关断SA8282，从而达到关断IGBT输出的目的。当外部负载大于额定负载的200%时，短路保护程序可以立即关闭系统。由于本电路采用MCS-51单片机和三相PWM集成电路SA8282设计，大大简化了控制电路，减少了元器件数量，结构紧凑，进一步降低了成本和可靠性。得到改善。第三节智能逆变模块IPM智能逆变模块IPM 为满足执行器体积小、可靠性高的要求，

16、电机电源采用智能功率模块IPM。该执行器主要适用于功率小于5.5kW的三相异步电动机，其额定电压为380V，功率因数为0.75。计算表明，日本生产的智能功率模块PM50RSA120能够满足系统要求。电源模块集成了电源开关、驱动电路和制动电路，具有过流、短路、欠压、过温保护和报警输出。它是一种高性能的电源开关器件。智能功率模块（IPM）以其开关速度快、损耗低、功耗低、保护功能多、抗干扰能力强、无需带防静电等优点在电力电子领域越来越受欢迎措施，和小尺寸。更广泛的应用。以 PM200DSA060 IPM 为例。介绍IPM应用电路设计及在单相逆变器中的应用。2 IPM的结构IPM 由高速、低功耗的 I

17、GWT 组成，最好是栅极驱动器和保护电路。其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合材料，MOSFET驱动GTR，所以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等优点。根据电源电路的配置，IPM有多种类型，如PM200DSA060型：IPM为D型（部分集成2个IGBT）。其功能框图如图1-3所示，结构如图1-4所示。有驱动电路和保护电路，保护功能包括控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护，当任一保护功能被激活时。 IPM 将输出故障信号 FO。图 1-3 IPM 功能框图图 1-4 IPM 的部分结构IPM部分电路不包含防止干扰的

18、信号隔离电路、自主保护功能和浪涌吸收电路。以保证IPM的安全可靠。你需要自己设计一些外围电路。3 IPM的外部驱动电路设计IPM的外部驱动电路是IPM电路和控制电路之间的接口。一个好的外部驱动电路对IPM组成的系统的运行效率、可靠性和安全性具有重要意义。从IPM部门的结构图中可以看出。设备本身包含驱动电路。因此，只要提供满足驱动电源要求的PWM信号、驱动电路的电源和电气隔离装置来防止干扰就足够了。但。 IPM对驱动电路的输出电压有严格的要求：驱动电压在13.5V16.5V左右。当电压低于 13.5V 时会发生欠压保护。高于 16.5V 的电压可能会损坏零件；驱动信号频率为5Hz-20kHz，需

19、要电气隔离装置。防止干扰：驱动电源的绝缘电压至少为IPM极间反向耐压值的两倍（2Vces）；驱动电流为19mA-26mA；驱动电路输出端的滤波电容不宜过大。这是因为当寄生电容超过 100pF 时。噪声干扰可能会错误地触发驱动电路。图1-5显示了一个典型的高可靠性 IPM 外部驱动电路方案。来自控制电路的 PWM 信号受 R1 限制。经高速光耦隔离放大后，接入IPM部分的驱动电路，控制开关管工作。 FO信号也经过光耦隔离输出。每个开关管的控制电源端采用独立的隔离稳压器。 15V供电，外接10F去耦电容（图中未示出）滤除共模噪声。 Rl根据控制电路的输出电流来选择。比如用DSP产生PWM。那么R1

20、的阻值可以是330。 R2 根据 IPM 的驱动电流选择。一方面，它应该尽可能小，以避免高阻抗 IPM 拾取噪声。另一方面，需要足够可靠地控制 IPM。可从 2k6.8k 中选择。 C1是2端和地之间的O。 1F滤波电容，PWM隔离光耦至tPLHO。 8F，trm10kV/s，可选择HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型（NEC）等高速光耦，外接1.1去耦电容（图中未示）。 FO输出光耦可以使用低速光耦（如PC817）。 IPM 引脚的功能如表 1 所示。图1-5 IPM外部驱动电路及引脚连接示意图图1-5直接固定在 PCB 上，靠近模块输入引脚。以减少噪音和干扰。 PCB上的

21、走线距离要适当，避免开关时干扰引起电位变化。另外，考虑到强电流可能会对外部驱动电路和IPM引线造成干扰，可以根据电路的大小在14脚之间、34脚之间、45脚之间加滤波电容。干扰。4 IPM的保护电路设计因为， IPM本身提供的保护电路不具备自主保护功能。因此，需要将外部硬件或软件辅助电路提供的FO信号转换为阻断IPM的控制信号。关闭 IPM 进行保护。4.1 硬件当IPM出现故障时，FO输出低电平，通过高速光耦到达硬件电路，关闭PWM输出，从而达到保护IPM的目的。具体硬件连接方法如下：在PWM接口电路前接一个控制端的三态收发器（如74HC245）。 PWM 信号经过三态收发器后送到 IPM 接

22、口电路。 IPM的故障输出信号FO通过光耦隔离输出送到与非门。然后将其致到三态收发器使能端 OE。当 IPM 正常工作时。与非门输出低。三态收发频闪；当 IPM 出现故障时。与非门输出高。三态收发器的所有输出都设置为高阻抗。阻断每个 IPM 的控制信号。关闭 IPM。实现保护。4.2 软件当 IPM 出现故障时。 FO输出为低电平，FO信号通过高速光耦送控制器处理。处理器确认后。使用中断或软件关闭 IPM 的 PWM 控制信号。从而达到保护的目的。比如在基于DSP控制的系统中。 IPM 的保护是通过中断事件管理器中的电源驱动保护引脚（PDPINT）来实现的。通常一个事件管理器生成的多通道 PW

23、M 可以控制多个 IPM 的工作。每个开关管都可以输出FO信号，每个开关管的FO信号都经过与门。当任一开关管发生故障时，输出低电平，与门输出低电平。将此引脚连接到PDPINT，因为当PDPINT为低电平时DSP中断，所有事件管理器输出引脚被硬件设置为高阻状态，从而达到保护的目的。以上两种方案都是利用IPM故障输出信号来阻断IPM的控制信号通道。从而弥补了IPM自身保护的不足，有效保护了设备。5 IPM缓冲电路设计在IPM的应用中，高频开关过程和电源回路寄生电感的叠加所引起的di/dt、dv/dt和瞬时功耗会对器件产生较大的影响，器件将很容易损坏。因此，需要设置缓冲电路（即吸收电路），目的是改变

24、器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件的开关损耗。保护设备的安全运行。图1-6显示了三种常用的 IPM 缓冲电路。图1-6 （a）是由单个无感电容组成的缓冲电路，对瞬态电压有效，成本低，适用于小功率IPM。图1-6 （b）是由RCD组成的缓冲电路，适用于功率较大的IPM。缓冲二极管D可以钳制瞬态电压，从而抑制可能由总线的寄生电感引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3，即r=T/3=1/3f。图1-6 （c）是由P型RCD和N型RCD组成的缓冲电路，适用于大功率IPM。功能类似于图1-6 (b) 所示的缓冲电路，但其环路电感更小。如果与图1-6（a）所示的缓冲电路一起使用。

25、缓冲二极管的应力也可以降低，缓冲效果更好。图 1-6 常用的 IMP 缓冲电路图1-6中，IGBT 关断时。负载电流通过缓冲二极管对缓冲电容充电，而集电极电流逐渐减小，因为电容两端的电压不能突变。因此，有效地限制了 IGBT 集电极电压上升率 dv/dt。也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。 IGBT 导通时存储在 IGBT 集电极母线电感和电路及其元件的杂散电感中的能量存储在缓冲电容器中。当 IGBT 导通时，集电极母线的电感和其他杂散电感有效地限制了 IGBT 集电极电流上升率 di/dt。还防止集电极电压和集电极电流同时达到它们的最大值。此时，缓冲电容通过外接电阻和IGBT开关

26、放电，储存的开关能量也耗散在外接电阻和电路及元器件中的电阻上。这样，在 IGBT 工作期间产生的开关损耗被传递到缓冲电路。最后在相关电阻上以热量的形式散发出去，从而保护IGBT的安全运行。图1-6中的电阻值和电容值是根据经验数据选择的：例如PM200DSA060的电容值是0.221xF - 0.47xF，耐压值是IGBT的1.1倍- 1.5倍，阻值值为10 -20，电阻功率按P=fCU2xlO-6计算，其中f为IGBT的工作频率，u为IGBT的工作峰值电压。 C 是与缓冲电路和电阻器串联的电容。二极管采用快恢复二极管。为保证缓冲电路的可靠性，可根据功率选用图1-6所示的封装缓冲电路。另外，由于

27、母线电感、缓冲电路及其元件的杂散电感对IPM的影响很大，尤其是大功率的IPM，越小越好。要降低这些电感，需要从多方面着手：直流母线要尽可能短；缓冲电路应尽可能靠近模块；使用低电感聚丙烯无极性电容器、匹配IPM的快速缓冲二极管和无感泄放电阻装置。6 IPM在单相全桥逆变器中的应用图1-7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，逆变全桥完成直流到交流的转换。滤波电路滤除谐波分量，得到所需的交流电；控制电路完成对逆变桥中开关管的控制，实现部分保护功能。图1-7 单相全桥逆变电路图中的逆变器全桥由4个开关管和4个续流二极管组成。开关管在工作过程中在高频条件下接通和关断。在开关的瞬

28、间，开关管的电压和电流变大，损耗大，结温升高，加上功率回路的寄生电感、振荡和噪声。很容易造成开关管瞬间损坏。过去常采用分立元件设计开关管的保护电路和驱动电路，导致电路体积庞大且不可靠。笔者用一对PM200DSA060双单元IPM模块代替V1、D1、V2、D2组合和V3、D3、v4、D4组合组成全桥逆变电路，并用DSP控制IPM。 230V逆变器的设计与调试采用上述驱动电路、缓冲电路和基于DSP控制的软件IPM保护电路。设计实践表明，采用IPM可以简化系统硬件电路，缩短系统开发时间，提高可靠性，减小体积，提高保护能力。第四位置检测电路位置检测电路位置检测电路是执行器的重要组成部分，其作用是提供准

29、确的位置信号。关键问题是位置传感器的选择。在传统的电动执行器中，多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。消除了线绕电位器的短寿命。差动变压器受限于较短的线性区域和不令人满意的温度特性。导电塑料电位器目前比较流行，但是有触点，寿命不是很长，精度也不高。笔者使用的位置传感器为脉冲数字传感器，非接触式，具有精度高、无线区域无限制、稳定性高、温度无限制等特点。第五节电压电流检测电压电流检测的主要目的是计算电机与逆变器输出电路短路时的转矩，逆变器模块的断相保护和故障诊断。由于逆变器输出的电流电压的频率范围为050Hz，使用常规的电流电压互感器无法满足要求。为了快速反映电流的大小，采用霍尔式电流互

30、感器检测IPM输出的三相电流，并采用分压电路检测IPM的输出电压。图 1-8 IPM 输出电流电压检测IPM的主要特点：IPM是将主开关器件、续流二极管、驱动电路、过流保护电路、过热保护电路、短路保护电路与驱动电源不足保护电路和接口电路集成在同一个封装内的高集成度智能功率集成电路。电路。其主要特点体现在控制功能、保护功能和接口功能上。(1)驱动电路：在IPM部分设置了高性能的驱动电路，具有故障后自动关断IGBT的功能。同时，由于结构紧凑，驱动电路与IGBT的距离极短，抗干扰能力强。输出阻抗很低，不需要反向偏置电压，简化了驱动电路的供电。它只需要为一组下臂提供一个公共电源，为三组上臂提供一个独立

31、的“浮动”电源。(2) 欠压保护 每个驱动电路都具有欠压（W）保护功能。不管是什么原因，只要驱动电路的电源电压低于欠压阈值yuv超过10ms，IPM就会关闭，同时输出故障报警信号。(3)过热保护： UM部分的绝缘基板上有温度传感器。当温度超过热截止值时，IPM部分的保护电路会阻断栅极驱动信号，直到过热现象消失后才会接受控制输入信号。设备未损坏，并输出过温故障信号。当温度降至过热复位净值时，电路自动恢复正常工作。(4)过流和短路保护： IPM中的IGBT电流传感器是发射极分流器，流过采样电阻的电流很小，但与流过开关器件的电流成正比，从而取代了高- 功率电阻、电流互感器、霍尔电流传感器等电流检测元

32、件。如果UM中任一IGBT的C极电流大于过流动作电流10LLs以上，UM将软关断并输出过流报警信号。(5) 制动电路： IPM 中有一个由 IGBT 组成的制动电路。 UM收到制动信号后导通，与制动端子BN相连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导体采用瓷绝缘结构，直接安装在散热片上；直流输入（P、N）、制动单元输出（B）和变频输出端子用螺钉直接连接；输入、输出控制端子排成一排，可以用万能插座连接。因此，主端子和控制端子可以直接拆卸，无需烙铁，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，系统选用MAX232作为串行通信接口。 MAX232部分有两个相

33、同的电平转换电路，可以将8031串口输出的TTL电平转换为RS-232标准电平。 ，将其他单片机致的RS-232标准电平转换为TTL电平转8031，实现单片机与其他单片机的通讯。MAX232 ：MAX232芯片是Maxim公司专门为计算机的RS-232标准串口设计的单功率电平转换芯片。它由单个 +5v 电源供电。 HYPERLINK /image/ca5257549f142b6f564e00d0 t _blank 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个电容组成。功能是产生+12v和-12v两种电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部

34、分是数据转换通道：两个数据通道由引脚7、8、9、10、11、12、13和14组成。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）是第二个数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换为RS-232数据从T1OUT、T2OUT到电脑DB9插头； DB9 插头的RS-232 数据由R1IN、R2IN 输入转换为TTL/CMOS 数据再从R1OUT、R2OUT 输出。第三部分是电源： 15脚GND，16脚VCC（+5v）。主要特征：1.符合所有RS-2

35、32C技术标准。2、只需要一个+5V单电源。3、片内电荷泵具有升压和电压极性反转能力，可产生+10V和-10V电压V+、V- 。4. 低功耗，典型供电电流为5mA 。5. 部门集成2个RS-232C驱动。6、科室集成两台RS-232C接收机。第7节时钟电路时钟电路主要用于提供速度计算所需的采样和控制周期、时间和日历。文中选用时钟电路DS12887。 DS12887 具有 114 字节的用户非易失性 RAM，可用于存储长期数据。用 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资

36、料 t _blank DS12887芯片不需要任何外围电路和器件，具有良好的微机接口。 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887芯片具有功耗低、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛应用于各种要求高精度的实时时钟系统。用DS12887芯片设计的时钟电路 HYPERLINK :/ ic37 /DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 不需要任何外围电路和器件，具有良好的微机接口。 HYP

37、ERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887芯片具有功耗低、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛应用于各种要求高精度的实时时钟系统。 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887主要功能介绍(1) 内含锂电池，断电运行十年以上不丢失数据。(2) 计秒、分、时、日、周、日、月、年

38、，并具有闰年补偿功能。(3) 二进制数字或BCD码表示时间、日历和闹钟。(4) 12 小时制或 24 小时制模式，12 小时制模式，带 PM 和 AM 指示，具有夏令时功能。(5) 摩托罗拉和英特尔总线时序选择。(6) 有128字节RAM单元和软件接口，其中14字节用作时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有RAM单元数据具有掉电保护功能。(7) 可编程方波信号输出。(8) 中断信号输出（IRQ）与总线兼容，固定报警中断、周期中断、时钟更新周期结束中断可通过软件屏蔽或单独测试。原理及引脚说明 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%2

39、0%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887由振荡电路、分频电路、周期中断/方波选择电路、14字节时钟及控制单元、114字节用户非易失性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组成。由锂电池等部分组成。 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887引脚排列：Vcc：直流电源+5V电压。 5V电压在正常范围内时，可读写数据；当Vcc低于4.25V时，禁止读写

40、，继续计时功能；当 Vcc 降至 3V 以下时，RAM 和定时器电源切换到锂电池。MOT（模式选择）：MOT管脚接Vcc时，选择 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/%3ca%20href= o MOTOROLA货源和PDF资料 t _blank MOTOROLA -p.htm target=_blank title= HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/MOTOROLA-p.htm o MOTOROLA货源和PDF资料 t _blank MOTOROLA

41、 source and PDF data HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/MOTOROLA-p.htm o MOTOROLA货源和PDF资料 t _blank MOTOROLA时序，接GND时，选择Intel时序。SQW（方波信号输出）：SQW管脚可选择实时时钟部分15级分频器的13个抽头之一作为输出信号，其输出频率可通过寄存器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，地址 HYPERLINK %20%20%

42、20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 在AD/ALE的下降沿锁定到DS12887 。DS（Data Strobe or Read Input）：DS/RD引脚有两种工作模式，取决于MOT引脚的电平，使用摩托罗拉时序时，DS是在总线周期后期出现的正脉冲，称为数据选通;在读周期中，DS表示DS12887驱动双向总线的时刻； HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PD

43、F资料 t _blank 在一个写周期内，DS 的下降沿使 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/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 称为（RD），RD 与典型存储器的使能信号（OE）的定义相同。R/W（读/写输入）：R/W 引脚也有两种操作模式。选择摩托罗拉时序时，当R/W为低电平信号时，表示当前周期为读或写周期，当DS为高电平时，R/W高电平表示读周期，R/W信号是一个低电平信号，称为WR。在这种模式下，R/W 引脚与通

44、用 RAM 的写使能信号 (WE) 具有相同的含义。CS（芯片选择输入）： HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 芯片选择信号在总线周期内必须保持低电平才能访问 DS12887。IRQ（中断请求输入）：低电平有效，可作为微处理器的中断输入。当满足无中断条件时，IRQ 处于高阻状态。 IRQ 线是一个开漏输入，需要一个外部顶部电阻。RESET（复位输出）：当管脚保持低电平超过200ms时， HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%2

45、0%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 保证DS12887有效复位。事工职能地址分配： HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887的地址存储在 114 字节的用户 RAM 中。 10字节存储实时时钟时间、日历和闹钟RAM由4字节的控制和状态专用寄存器组成，几乎所有128字节都是直接读写的。时间、日历和闹钟单元：通过读取相应的存储字节获得时间和日历信

46、息。通过写入相应的存储字节来设置或初始化时间、日历和闹钟。字节内容可以是二进制或 BCD 格式。时间可以选择 12 小时制或 24 小时制。选择12小时格式时，小时字节的高门是逻辑“ 1”来代表PM。时间、日历和发条字节是双缓冲的并且总是可以访问的。这 10 个字节每秒传输 1 秒。检查报警状况一次。例如，更新时，读取时间和日历可能会导致错误。三个字节的报警字节有两种使用方式。第一种，当固定闹铃时间写入对应的分、秒、固定闹铃单位时，在固定闹铃位置高的情况下，每天都会准时启动固定闹铃中断。二是在三个死锁字节中插入一个或多个无关码。无关代码是从 O0 到 FF 的任何十六进制数。当设置小时字节的无

47、关码位时，每小时发生一次报警；同样，当小时和分钟警报字节设置为无关位时，警报每分钟发生一次；当所有三个字节都设置为无关位时，每秒中断一次。非易失性 RAM ：在 DS1288 中，114 字节的通用非易失性 RAM 不专用于任何特殊功能，它们可以被处理器程序用作非易失性存储器，并且在更新周期期间也可以访问。中断： RTC 实时时钟加上 RAM 为处理器提供了三个独立的自动中断源。固定报警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从500ms到122s可选。更新结束中断用于向程序指示更新周期已完成。中断控制位和状态位在寄存器 B 和 C 中，本文的其余部分将详细描述每个中断发生

48、的条件。晶振控制位： HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887出厂时，其晶振是关闭的，以防止在芯片装入系统之前消耗钽电池。寄存器 A 的 BIT4-BIT6 的所有其他组合都是为了关闭晶振。方波输出选择： 15 级分频器抽头中的 13 个可用于 15 对 1 选择器。选择分频器抽头的目的是在 SQW 引脚产生方波信号，其频率由寄存器 A 的 RS0-RS3 位决定。 SQW 频率选择器和周期性中断发生器共有 15 对 1 选择器。一旦

49、选择了频率，通过程序控制方波输出使能位 SQWE 来控制 SQW 引脚输出的开关。周期中断选择：周期中断可以在 IRQ 引脚上产生一个 500ms 到每 122s 的中断。中断步长也是由寄存器A决定的，它的控制位是寄存器B中的PIE位 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank 。DS12887每秒执行一个更新周期，以保证时间和日历的准确性。更新周期还将每个警报字节与相应的时间字节进行比较。如果匹配或三个字节都是无关代码，则会产生警报中断。状态控制寄存

50、器 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20ic37%20%20%20%20/DS12887-p.htm o DS12887货源和PDF资料 t _blank DS12887有 4 个可随时访问的控制寄存器，即使在更新周期期间也是如此。寄存器 AUIP：更新周期进行中位。当 UIP 为 1 时，更新转换会很快发生，当 UIP 为 0 时，至少 244s 不会发生更新转换。 DV0、DV1、DV2：用于切换晶振和复位分频链。这些位的唯一 010 组合将打开晶体并内容 RTC 计时。RS3、RS2、RS1、RS0：频率选择位，选择15级频率计数器的13个抽头之一，或

51、禁用分频器输入。所选抽头用于产生方波（SQW 引脚）输出和周期性中断，用户可以：(1) 通过 PIE 位使能中断。(2) 使用 SQWE 位内容一起使用相同的频率。第8节液晶显示单元液晶显示单元是实现人机对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。使用配置显示模式。通过菜单选择，可以分别设置或调试阀门、扭矩、限位、电机、通讯、参数等信号。并采用文字和图形的结合，显示直观清晰。这样可以更好地实现人机信息交互，更清楚地了解机器当前的运行状态，方便人们操作。第九节程序异常自恢复电路程序乱序自恢复电路是为了保证在强干扰下程序乱序时系统能自动恢复正常。选用MAX705构成程序外程序自恢复电

52、路，监控程序运行。图 1-10 程序异常自恢复电路工作原理是：一旦程序出现故障，WDO由高变低。由于差分电路的作用，“与非”门的输入管脚2变为高电平，而管脚2的这种电平变化使“与非”门输出正脉冲使单片机复位一次。复位后，程序通过P1.0端口向MAX705的WDI引脚致一个正脉冲，使WDO引脚恢复为高电平，程序退出自恢复电路继续执行。监控程序跑出程序跑出恢复电路为保证系统在干扰下程序乱序时能自动恢复正常，选用MAX705组成跑出程序自恢复电路进行监控程序运行。第二章阀位和速度控制原理采用双环控制方案，其中环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器致的设定速度进行比较，通过调速

53、器改变PWM波发生器的载波频率，实现电机的速度调节。调速器采用模糊神经网络控制算法（详见另一篇文章）。外环主要根据当前位置和速度的设置，通过速度给定发生器向环提供速度的设定值。因为大流量阀门执行机构在运行过程中有加速、匀速、减速等阶段。每个阶段的持续时间、加速度的大小、从哪里开始恒速或减速都与给定位置、当前位置和运行速度有关。速度给定发生器的工作原理是：通过比较实际阀位和给定阀位，当两者不相等时，以恒定加速度加速，减速点以当前速度、阀位值、和阀位给定值。计算出来的。阀门位置和速度控制（图2-1 ）采用双环控制方案，其中环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器致的设定速度进

54、行比较，通过调速器改变PWM波发生器的载波频率，实现电机的速度调节。调速器采用模糊神经网络控制算法。位置环主要是根据当前位置与设定位置的差值，通过速度给定发生器向环提供速度的设定值。由于电动调节阀在运行过程中有加速、匀速、减速阶段，每个阶段的时间长度、加速的大小以及匀速或减速开始的位置都与给定位置、电流位置和运行速度。速度给定发生器将实际阀门位置与给定阀门位置进行比较。当两者不相等时，以恒定加速度加速，根据当前速度、阀位值和阀位给定值计算减速点。图2-1 阀位调速示意图图2-2是一个典型的电动调节阀工作速度图，它由几条变化率不同的虚线组成。曲线上速度开始变化的点称为起始分段点，对应的时间称为分

55、段起始时间t(i)(i=0,1,2,.)，对应的速度称为段开始时间。初始速度 (i) (i=0, 1, 2, .)。图 2-2 执行器的典型运行速度假设第i段的速度变化率用k表示，则有：式中：v两点间的速度变化值，m/sv=v i+1 -v it=t i+1 -t i显然，当ki=0时为恒速值，当ki0时为加速阶段，当ki0时为减速阶段。公式中任意时刻，T s采样周期，Hz。变化率 ki应根据给定位置、当前位置和运行速度确定。第三章 关键技术问题的解决方案电动执行器采用最新变频调速技术，电机驱动功率小于5.5kW。用户可根据需要设定转矩特性，根据被控阀门设定速度。控制系统是由阀位给定和阀位反馈

56、信号组成的闭环系统。控制特性取决于运行方式和速度，具有自动过流保护、过载保护、过压、欠压、过热、缺相、堵转等功能。和其他保护功能。执行机构解决的关键技术问题如下：第一个阀门柔性开关阀门软开关：软开关主要是保证阀门在关闭或全开时不被卡住和损坏。执行器部分的微处理器根据测得的逆变器输出电压和电流，精确计算得出输出扭矩。一旦输出扭矩达到或超过设定扭矩，将自动降低转速，避免阀门部分受到过大冲击，从而达到最佳关闭，实现过扭矩保护。阀位极限位置判断 阀位极限位置是指全开和全闭位置。在传统的执行器中，这个位置的检测是通过机械限位开关获得的。机械限位开关精度低，运行时容易松动，可靠性差。本文通过检测位置信号的

57、增量来获得电动执行器的极限位置。其原理是单片机将本次检测到的位置信号与上次检测到的信号进行比较。如果没有变化或变化很小，则认为已到达极限位置，立即切断异步电动机的电源，以确保阀门的安全关闭。或完全打开。取消了机械限位开关，并且在调试期间不需要对其进行复杂的调整。第二节电机保护的实现电机保护的实现为防止电机因过热而烧毁，单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度。如果温度传感器检测到电机温度过高，则自动切断电源。温度传感器放置在电机部分。目前电机保护器已从过去的机械式发展为电子式和智能型，可直接显示电机的电流、电压、温度等参数，具有高灵敏度、高可靠性、多功能，调试方便，保护动作后故障类型一目

58、了然。 ，既减少了电机的损坏，又大大方便了故障的判断，有利于生产现场的故障处理，缩短了恢复时间。此外，利用电机气隙磁场的电机偏心检测技术，可以在线监测电机磨损状态。曲线显示电机偏心度的变化趋势，可以早期发现轴承磨损、倒圆、外圆等故障。尽早发现并处理，以免发生大规模事故。合理选用电机保护装置，既能充分发挥电机的过载能力，又能避免损坏，从而提高电驱动系统的可靠性和生产的连续性。具体功能选择要综合考虑电机本身的价值、负载类型、使用环境、电机主要设备的重要性、电机的退出是否对生产造成严重影响等因素制度，力求经济合理。理想的电机保护器不是功能最多的，也不是所谓的最先进的，而是应该满足现场的实际需要，做到

59、经济性和可靠性的统一，并具有较高的性价比。根据现场实际情况合理选择保护器的类型和功能，并考虑保护器的安装、调整和使用简单方便，更重要的是选择优质的保护器。常见的电机保护器类型：1、热继电器：普通小容量交流电机，工作条件好，无频繁启动等恶劣工作条件，因精度差，可靠性无法保证，不推荐。2、电子式：检测三相电流值，通过电位器旋钮或拨码开关操作设定电流值。保护功能包括过载、缺相、堵转等故障保护。故障类型由指示灯显示，运行功率由数码管显示。3、智能型：检测三相电流值，保护器采用单片机实现电机的智能综合保护，集保护、测量、通讯、显示于一体。整定电流数字化设置，通过操作面板上的按键进行操作。用户可以根据自己

60、的实际使用要求和保护条件，在现场修改和设置各种参数。采用数码管作为显示窗口，或采用大屏幕液晶显示器。支持多种通讯协议，如ModBUS、ProfiBUS等，价格相对较高，用在比较重要的场合。目前，高压电机的保护是智能化的。4、热保护型：热敏元件嵌入电机中，根据电机温度进行保护。保护效果好，但当电机容量较大时，需要配合电流监控型使用，避免电机堵转时温度急剧上升。温度测量元件的滞后会导致电机绕组损坏。5、磁场温度检测型：磁场检测线圈和温度探头嵌入电机中，根据电机部分旋转磁场的变化和温度的变化进行保护。主要功能包括过载、堵转、缺相、过热保护和磨损监测。保护功能完善，但缺点是需要在电机部分安装磁场检测线