机电一体化中的电机控制和保护

河北机电职业技术学院毕业设计电气工程系（机电一体化专业）班级：机电0901姓名： 宋岩学号：15指导教师： 赵海志机电一体化中的电机控制和保护【内容摘要】依据机电一体化技术的发展前景，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、控制器合为一体，采用8031单片机、变频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、电机保护及模拟信号隔离等技术问题。【关键词】电动机阀门继电器保护机电一体化技术总结TOC\o"1-5"\h\z内容摘要 1目录 2弓I言 3第1章机电一体化技术发展历程及其趋向41. 1机电—体化技术发展历程 41・2机电—体化发展趋向 5第2章机电一体化中电动执行机构的硬件设计及工作原理 6\o"CurrentDocument"2.1系统工作原理 62.2控制系统各功能元件的选型与设计 7第3章机电一体化中阀位及速度控制原理8第4章关键技术问题的解决 8第5章机电一体化中继电器保护的现状与发展 9\o"CurrentDocument"5.1继电保护发展现状 9\o"CurrentDocument"5.2继电保护的未来发展 10\o"CurrentDocument"5.2.1计算机化 10\o"CurrentDocument"5.2.2网络化 105.2.3保护、控制、测量、数据通信一体化11\o"CurrentDocument"5.2.4智能化 11结束语 12参考文献 13引言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。自电子技术一问世，电子技术和机械技术的结合就开始了，只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后，〃机电一体化〃技术之后有了明显进展，引起了人们的广泛注重.第1章机电一体化技术发展历程及其趋向机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。1.1机电一体化技术发展历程数控机床的问世，写下了〃机电一体化〃历史的第一页；微电子技术为〃机电一体化'’带来勃勃生气；可编程序控制器、〃电力电子〃等的发展为〃机电一体化〃提供了坚强基础；激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使〃机电一体化〃跃上新台阶.1.2机电一体化发展趋向1数字化微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。2智能化即要求机电产品有一定的智能，使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。3模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。4网络化由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。5人性化机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。6微型化微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。7集成化集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。8带源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。9绿色化绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。光机电一体化.一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此，引进光学技术，实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源（动力）系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋向.自律分配系统化——柔性化.未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。全息系统化——智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。“生物一软件”化一仿生物系统化。今后的机电一体化装置对信息的依靠性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态（工作）时却是稳定的。机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。微型机电化——微型化。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。第2章机电一体化中电动执行机构的硬件设计及工作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。2.1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。2.2控制系统各功能元件的选型与设计1）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;2）三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。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。3） 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。4） 位置检测电路位置检测电路是执行机构的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置信号。导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。5） 电压、电流及检测检测电压、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。。6）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RS-232标准电平，把其它微机送来的RS-232标准电平转换成TTL电平给8031，实现单片机与其它微机间的通讯。7） 时钟电路时钟电路主要用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。8） 液晶显示单元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。通过菜单选择，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。9）程序出格自恢复电路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。如图2-3所示，该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。第3章机电一体化中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。速度给定发生器的工作原理为：通过比较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。第4章关键技术问题的解决用户可根据需要设定力矩特性，根据控制的阀设定速度，速度分多转式、直行程、角行程3种方式。控制系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统，控制特性视运行方式、速度而定，并具有自动过流保护、过载保护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能。该执行机构解决的关键性技术问题主要有：1）阀门柔性开关柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损伤。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击，从而达到最优关闭，实现过力矩保护。2）阀位的极限位置判断阀位的极限位置是指全开和全关位置。省去了机械式限位开关，无需在调试时对其进行复杂的调整。3）电机保护的实现为了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，自动切断供电电源。温度传感器内置于电机内部。4）准确定位传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度，当接近停止位置时，电机断电后，由于机械惯性，其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度的超程，这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。5）模拟信号的隔离。采用土15V和土12V两组独立的正负电源。若运放A的反相端电位由于扰动而正向偏离虚地，则运放A输出端的电位将降低，因而光电耦合器的发光强度将增强，则使其集射极电压减小，最后使运放A反相端的电位降低，回到正常状态。若A的反相端电位负向偏离虚地，也可以重回到正常状态。从而增强了系统的抗干扰性。第5章机电一体化中继电器保护的现状与发展5.1继电保护发展现状电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段。［1］，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基［2］，结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代。［3］，我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究。［4］，高等院校和科研院所起着先导的作用。［5］,揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。5.2继电保护的未来发展继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。5.2.1计算机化原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经历了3个发展阶段：从8位单CPU结构的微机保护问世，不到5年时间就发展到多CPU结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也是从8位CPU，发展到以工控机核心部分为基础的32位微机保护。1988年即开始研究以32位数字信号处理器(DSP)为基础的保护、控制、测量一体化微机装置，已与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的32位大模块，一个模块就是一个小型计算机。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口°CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成在CPU内。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。5.2.2网络化计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。对于某些保护装置实现计算机联网，也能提高保护的可靠性。这种用计算机网络实现的分布式母线保护原理，比传统的集中式母线保护原理有较高的可靠性。因为如果一个保护单元受到干扰或计算错误而误动时，只能错误地跳开本回路，不会造成使母线整个被切除的恶性事故，这对于象三峡电站具有超高压母线的系统枢纽非常重要。由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋势。5.2.3保护、控制、测量、数据通信一体化在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。现在光电流互感器(OTA)和光电压互感器(OTV)已在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应用。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。5.2.4智能化近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。结束语在机电一体化控制中，该执行机构集微机技术和执行器技术于一体，是一种新型的终端控制单元，其电机是通过内部集成的一体化变频器来控制，因此，同一台智能执行机构可以在一定范围内