机电一体化智能大流量电动执行机构介绍

1、机电一体化化智能大大流量电电动执行行机构（图图）【摘要】提提出一种种新型电电动执行行机构的的设计方方案，详详细介绍绍了该执执行机构构各功能能元件的的选型与与设计、阀阀位及速速度控制制原理以以及各种种关键问问题的解解决方法法。该执执行机构构将阀门门、伺服服电机、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、阀阀门柔性性开关、极极限位置置判断、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

2、化生产过过程控制制中，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、定定位精度度低、可可靠性差差等问题题。而且且执行机机构的全全程运行行速度取取决于其其电机的的输出轴轴转速和和其内部部减速齿齿轮的减减速比，一一旦出厂厂，这一一速度固固定不可可调整，其其通用性性较弱。整整个机构构缺乏完完善的保保护和故故障诊断断措施以以及必要要的通信信手段，系系统的安安全性较较差，不不便与计计算机联联网。鉴鉴于以上上原因，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，

3、可靠靠性和稳稳定性较较差。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，这这种执行行机构已已远远不不能满足足工业生生产的要要求。笔笔者设计计的大流流量电动动执行机机构，采采用机电电一体化化技术，将将阀门、伺伺服电机机、控制制器合为为一体，利利用异步步电动机机直接驱驱动阀门门的开与与关。通通过内置置变频器器，采用用模糊神神经网络络，实现现阀门的的动作速速度、精精确定位位、柔性性开关以以及电机机转矩等等控制。该该电动执执行机构构省去了了用于控控制电机机正、反反转的接接触器和和可控硅硅换向开开关模件件、机械械传动装装置和复复杂、昂昂贵的控控制柜和和配电柜柜，具有有动作快快、保护护

4、较完善善、便于于和计算算机联网网等优点点。实际际运行表表明，该该执行机机构工作作稳定，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。 控制部部分主要要由单片片机、PPWM波波发生器器、IPPM逆变变器、AA/D、DD/A转转换模块块、整流流模块、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。 系统工作原原理： 霍尔电电流、电电压传感感器及位位置传感感器检测测到的逆逆变模块块三相输输出电流流、电压压及阀门门的位置置信

5、号，经经A/DD转换后后送入单单片机。单单片机通通过82255控控制PWWM波发发生器，产产生的PPWM波波经光电电耦合作作用于逆逆变模块块IPMM，实现现电机的的变频调调速以及及阀位控控制。逆逆变模块块工作时时所需要要的直流流电压信信号由整整流电路路对3880V电电源进行行全桥整整流得到到。 控控制系统统各功能能元件的的选型与与设计： 1) 单片片机选选用INNTELL公司生生产的880311单片机机，它主主要通过过并行882555口担负负控制系系统的信信号处理理：接收收系统对对转矩、阀阀门开启启、关闭闭及阀门门开度等等设定信信号，并并提供三三相PWWM波发发生器所所需要的的控制信信号；处处

6、理IPPM发出出的故障障信号和和报警信信号；处处理通过过模拟输输入口接接收的电电流、电电压、位位置等检检测信号号；提供供显示电电动执行行机构的的工作状状态信号号；执行行控制系系统来的的控制信信号，向向控制系系统反馈馈信号； 2)三相PPWM波波发生器器PWWM波的的产生通通常有模模拟和数数字两种种方法。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，这这种方法法占用的的内存较较大，不不能保证证系统的的精度。为为了满足足智能功功率模块块所需要要

7、的PWWM波控控制信号号，保证证微处理理器有足足够的时时间进行行整个系系统的检检测、保保护、控控制等功功能，文文中选用用MITTEL公公司生产产的SAA82882作为为三相PPWM发发生器。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，芯芯片内部部包含了了波形、频频率、幅幅值等控控制信息息。 33)智能能逆变模模块IPPM为为了满足足执行机机构体积积小，可可靠性高高的要求求，电机机电源采采用智能能功率模模块IPPM。该该执行机机构主要要适用功功率小于于555kW的的三相异异步电机机，其额额定电压压为3880V，功功率因数数为075。经经计算可可知，选选用日本

8、本产的智智能功率率模块PPM500RSAA1200可以满满足系统统要求。该该功率模模块集功功率开关关和驱动动电路、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。在在传统的的电动执执行机构构中多采采用绕线线电位器器、差动动变压器器、导电电塑料电电位器等等。绕线线电位器器寿命短短被淘汰汰。差动动变压器器由于线线性区太太短和温温度特性性不理想想而受到到限制。导导电塑料料电

9、位器器目前较较为流行行，但它它是有触触点的，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，且且具有精精度高、无无线性区区限制、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、电电流主要要是为了了计算电电机的力力矩，以以及变频频器输出出回路短短路、断断相保护护和逆变变模块故故障诊断断。由于于变频器器输出的的电流和和电压的的频率范范围为00500Hz，采采用常规规的电流流、电压压互感器器无法满满足要求求。为了了快速反反映出电电流的大大小，采采用霍尔尔型电流流互感器器检测IIPM输输出的三三相

10、电流流，对于于IPMM输出电电压的检检测采用用分压电电路。如如图2-2所示示。 6) 通讯讯接口为了实实现计算算机联网网和远程程控制，选选用MAAX2332作为为系统的的串行通通讯接口口，MAAX2332内部部有两个个完全相相同的电电平转换换电路，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，实实现单片片机与其其它微机机间的通通讯。 7)时时钟电路路时钟钟电路主主要用来来提供采采样与控控制周期期、速度度计算时时所需要要的时间间以及日日历。文文中选用用时钟电电路DSS128887

11、。DDS1228877内部有有1144字节的的用户非非易失性性RAMM，可用用来存入入需长期期保存的的数据。 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，可可分别对对阀门、力力矩、限限位、电电机、通通讯和参参数等信信号进行行设置或或调试。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，监监视程序序运行。如如图2-3所示示

12、，该电电路由MMAX7705、与与非门及及微分电电路组成成。 工作原理为为：一旦旦程序出出格，WWDO由由高变低低，由于于微分电电路的作作用，由由“与非非”门输输入引脚脚2变为为高电平平，引脚脚2电平平的这种种变化使使“与非非”门输输出一个个正脉冲冲，使单单片机产产生一次次复位，复复位结束束后，又又由程序序通过PP100口向MMAX7705的的WDII引脚发发正脉冲冲，使WWDO引引脚回到到高电平平，程序序出格自自恢复电电路继续续监视程程序运行行。 33阀位位及速度度控制原原理 阀阀位及速速度控制制原理框框图如图图3-11所示。 采用双环控控制方案案，其中中内环为为速度环环，外环环为位置置环。

13、速速度环主主要将当当前速度度与速度度给定发发生器送送来的设设定速度度相比较较，通过过速度调调节器改改变PWWM波发发生器载载波频率率，实现现电机的的转速调调节。速速度调节节器采用用模糊神神经网络络控制算算法(具具体内容容另文叙叙述)。 外环主主要根据据当前位位置速度度的设定定，通过过速度给给定发生生器向内内环提供供速度的的设定值值。由于于大流量量阀执行行机构在在运行过过程中存存在加速速、匀速速、减速速等阶段段。各阶阶段的时时间长短短、加速速度的大大小、在在何位置置开始匀匀速或减减速均与与给定位位置、当当前位置置以及运运行速度度有关。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

14、给定定阀位，当当二者不不相等时时，以恒恒定加速速度加速速，减速速点根据据当前速速度、阀阀位值、阀阀位给定定值的大大小计算算得来。 执行机机构各阶阶段运行行速度的的计算原原理 图3-2为为执行机机构的典典型运行行速度图图，它由由若干段段变化速速率不同同的折线线组成。将将曲线上上速率开开始发生生改变的的那一点点称为起起始段点点，相应应的时间间称为段段起始时时间，如如图3-2中的的t(ii)(ii0，11，2，)，相相应的速速度称为为段起始始速度，如如图3-2所示示V(ii)(ii0，1，2，)。 设第i段速度的变化速率为ki，则有： 式中：vv为两段段点之间间的速度度变化值值，vvvii1vi；

15、tt为两段段之间的的时间，ttti11tii。 显显然，当当ki0时为为恒速段段，kii0时时为升速速段，kki00时为减减速段。任任意时刻刻的速度度给定值值为： Ts为采样样周期。 变化速速率kii的取值值由给定定位置、当当前位置置以及运运行速度度的大小小确定。 4关关键技术术问题的的解决 该电动动执行机机构采用用了最新新的变频频调速技技术，电电机驱动动功率小小于55kWW。用户户可根据据需要设设定力矩矩特性，根根据控制制的阀设设定速度度，速度度分多转转式、直直行程、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，

16、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、堵转转等保护护功能。 该执行行机构解解决的关关键性技技术问题题主要有有： 11) 阀阀门柔性性开关柔性开开关主要要是为了了当阀关关闭或全全开时，保保证阀门门不卡死死与损伤伤。执行行机构内内部的微微处理器器根据测测得的变变频器输输出电压压和电流流，通过过精确计计算，得得出其输输出力矩矩。一旦旦输出力力矩达到到或大于于设定的的力矩，自自动降低低速度，以以避免阀阀门内部部过度的的撞击，从从而达到到最优关关闭，实实现过力力矩保护护。 22)阀位位的极限限位置判判断阀阀位的极极限位置置是指全全开和全全关位置置。在传传统执行行机构中中

17、，该位位置的检检测是通通过机械械式限位位开关获获得的。机机械式限限位开关关精度低低，在运运行中易易松动，可可靠性差差。在文文中，电电动执行行机构极极限位置置通过检检测位置置信号的的增量获获得。其其原理是是，单片片机将本本次检测测的位置置信号与与上次检检测的信信号相比比较，如如果未发发生变化化或变化化较小，即即认为己己达到极极限位置置，立即即切断异异步电机机的供电电电源，保保证阀门门的安全全关闭或或全开。省省去了机机械式限限位开关关，无需需在调试试时对其其进行复复杂的调调整。 3)电电机保护护的实现现为了了防止电电机因过过热而烧烧毁，单单片机通通过温度度传感器器连续检检测电机机的实际际运行温温度

18、，如如果温度度传感器器检测到到电机温温度过高高，自动动切断供供电电源源。温度度传感器器内置于于电机内内部。 4)准准确定位位传统统的电动动执行机机构在异异步电机机通电后后会很快快达到其其额定动动作速度度，当接接近停止止位置时时，电机机断电后后，由于于机械惯惯性，其其阀门不不可能立立即停下下来，会会出现不不同程度度的超程程，这一一超程通通常采用用控制电电机反向向转动来来校正。机机电一体体化的大大流量电电动执行行机构根根据当前前位置与与给定位位置的差差值以及及运行速速度的大大小超前前确定减减速点的的位置及及减速段段变化速速率kii，使阀阀门在较较低的速速度下实实现精确确的微调调和定位位，从而而将超程程降到最最低。 5)模模拟信号号的隔离离。 对对于变频频器的直直流电压压以及输输出的三三相电压压，它们们之间的的地址不不一致，存存