單片機多功能控制電路宋陽定稿

1、阿克蘇職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 系 部： 機電工程系 班 級： 機電13302班 專 業(yè)： 機電一體化 姓 名： 宋陽 學 號： 1305060227 指導教師： 嚴 新 英 目 錄1、 機電一體化技術發(fā)展歷程及其趨向 ·······························&

2、#183;·1 1.1 機電一體化技術發(fā)展歷程···········································2 1.2 機電一體化發(fā)展趨

3、向···············································3 二、機電一體化中電動執(zhí)行機構的

4、工作原理·································4 三、機電一體化中閥位及速度控制原理·············&

5、#183;······················5 四、關鍵技術問題的解決·························

6、·······················6 五、機電一體化中繼電器保護的現(xiàn)狀與發(fā)展·······················

7、83;········7致謝·········································

8、························8參考文獻·························&

9、#183;··································9 單片機的多功能控制電路宋陽 阿克蘇職業(yè)技術學院 843000摘 要:依據機電一體化技術的發(fā)展前景，提出一種新型電動執(zhí)行機構的設計方案，詳細介紹了該執(zhí)行機構各功能元件的選型與設計、

10、閥位及速度控制原理以及各種關鍵問題的解決方法。該執(zhí)行機構將閥門、伺服電機、控制器合為一體，采用8031單片機、變頻技術實現(xiàn)了閥門的動作速度和位置控制，解決了閥門的精確定位、閥門柔性開關、極限位置判斷、電機保護及模擬信號隔離等技術問題?，F(xiàn)場運行情況表明，該電動執(zhí)行機構具有動作快、保護完善以及便于和計算機通訊等優(yōu)點，充分利用了機電一體化技術帶來的方便快捷。關鍵詞：單片機 控制電路 繼電器 機電一體化技術 一、機電一體化技術發(fā)展歷程及其趨向機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發(fā)展和進步有賴于相關技術的進步與發(fā)展，其主要發(fā)展方向有數(shù)字化、智能化、模塊化、網絡化、人性化

11、、微型化、集成化、帶源化和綠色化。11 機電一體化技術發(fā)展歷程1.數(shù)控機床的問世,寫下了"機電一體化"歷史的第一頁;2.微電子技術為"機電一體化''帶來勃勃生氣;3.可編程序控制器、"電力電子"等的發(fā)展為"機電一體化"提供了堅強基礎;4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使"機電一體化"躍上新臺階. 12 機電一體化發(fā)展趨向1 數(shù)字化微控制器及其發(fā)展奠定了機電產品數(shù)字化的基礎，如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人；而計算機網絡的迅速崛起，為數(shù)字化設計與制造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成制造等

12、。數(shù)字化要求機電一體化產品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。2智能化即要求機電產品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數(shù)控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O接口和智能工藝數(shù)據庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經網絡、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智能技術的進步與發(fā)展，為機電一體化技術發(fā)展開辟了廣闊天地。3 模塊化由于機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研制和開發(fā)具有標準機械接口、動力接口、環(huán)境接口的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研

13、制具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產品開發(fā)設計時，可以利用這些標準模塊化單元迅速開發(fā)出新的產品。4 網絡化由于網絡的普及，基于網絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾。而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產品，現(xiàn)場總線和局域網技術使家用電器網絡化成為可能，利用家庭網絡把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統(tǒng)，使人們在家里可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網絡化方向發(fā)展。5 人性化機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電

14、一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環(huán)境相協(xié)調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。6 微型化微型化是精細加工技術發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。自1986年美國斯坦福大學研制出第一個醫(yī)用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研制出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進

15、展，開發(fā)出各種MEMS器件和系統(tǒng)，如各種微型傳感器（壓力傳感器、微加速度計、微觸覺傳感器），各種微構件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。7 集成化集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優(yōu)化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現(xiàn)多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統(tǒng)具有更廣泛的柔性。首先可將系統(tǒng)分解為若干層次，使系統(tǒng)功能分散，并使各部分協(xié)調而又安全地運轉，然后再通過軟、硬件將各個層次有機地聯(lián)系起來，使其性能最優(yōu)、功能最強。8 帶源化是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大

16、容量電池。由于在許多場合無法使用電能，因而對于運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發(fā)展方向之一。9 綠色化科學技術的發(fā)展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態(tài)環(huán)境惡化的后果。所以，人們呼喚保護環(huán)境，回歸自然，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協(xié)調而可再生利用的產品。在其設計、制造、使用和銷毀時應符合環(huán)保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態(tài)環(huán)境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。10.光機電一體化.一般的機電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信

17、息處理系統(tǒng)、機械結構等部件組成的.因此,引進光學技術,實現(xiàn)光學技術的先天優(yōu)點是能有效地改進機電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能源(動力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng).光機電一體化是機電產品發(fā)展的重要趨向.11.自律分配系統(tǒng)化柔性化.未來的機電一體化產品,控制和執(zhí)行系統(tǒng)有足夠的“冗余度”，有較強的“柔性”，能較好地應付突發(fā)事件，被設計成“自律分配系統(tǒng)”。在自律分配系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)是相互獨立工作的，子系統(tǒng)為總系統(tǒng)服務，同時具有本身的“自律性”，可根據不同的環(huán)境條件作出不同反應。其特征是子系統(tǒng)可產生本身的信息并附加所給信息，在總的前提下，具體“行動”是可以改變的。這樣，既明顯地增加了系統(tǒng)的適應能力(柔性)，又不因某

18、一子系統(tǒng)的故障而影響整個系統(tǒng)。12.全息系統(tǒng)化智能化。今后的機電一體化產品“全息”特征越來越明顯，智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術、信息技術(尤其是軟件及芯片技術)的發(fā)展。除此之外，其系統(tǒng)的層次結構，也變簡單的“從上到下”的形勢而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯(lián)系。13.“生物一軟件”化仿生物系統(tǒng)化。今后的機電一體化裝置對信息的依靠性很大，并且往往在結構上是處于“靜態(tài)”時不穩(wěn)定，但在動態(tài)(工作)時卻是穩(wěn)定的。這有點類似于活的生物摘要：當控制系統(tǒng)(大腦)停止工作時，生物便“死亡”，而當控制系統(tǒng)(大腦)工作時，生物就很有活力。仿生學探究領域中已發(fā)現(xiàn)的一些生物體優(yōu)良的機構可為機電一體化產品提供

19、新型機體，但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入探究。這一探究領域稱為“生物軟件”或“生物系統(tǒng)”，而生物的特征是硬 件(肌體)軟件(大腦)一體，不可分割?？磥?，機電一體化產品雖然有向生物系統(tǒng)化發(fā)展趨，但有一段漫長的道路要走。14.微型機電化微型化。目前，利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術，在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當將這一成果用于實際產品時，就沒有必要區(qū)分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”，機體、執(zhí)行機構、傳感器、CPU等可集成在一起，體積很小，并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發(fā)展方向。二、 機電一體化中電動執(zhí)行機構的工作原理電動執(zhí)行機

20、構控制系統(tǒng)原理。智能執(zhí)行機構從結構上主要分為控制部分和執(zhí)行驅動部分?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅動部分主要包括三相伺報電機和位置傳感器。 霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，經A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發(fā)生器，產生的PWM波經光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現(xiàn)電機的變頻調速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。三、 機電一體化中閥位及速度控制原理采用雙環(huán)控制方案，其

21、中內環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)主要將當前速度與速度給定發(fā)生器送來的設定速度相比較，通過速度調節(jié)器改變PWM波發(fā)生器載波頻率，實現(xiàn)電機的轉速調節(jié)。速度調節(jié)器采用模糊神經網絡控制算法。外環(huán)主要根據當前位置速度的設定，通過速度給定發(fā)生器向內環(huán)提供速度的設定值。由于大流量閥執(zhí)行機構在運行過程中存在加速、勻速、減速等階段。各階段的時間長短、加速度的大小、在何位置開始勻速或減速均與給定位置、當前位置以及運行速度有關。速度給定發(fā)生器的工作原理為：通過比較實際閥位與給定閥位，當二者不相等時，以恒定加速度加速，減速點根據當前速度、閥位值、閥位給定值的大小計算得來。四、 關鍵技術問題的解決該電動執(zhí)行機構采用

22、了最新的變頻調速技術，電機驅動功率小于55kW。用戶可根據需要設定力矩特性，根據控制的閥設定速度，速度分多轉式、直行程、角行程3種方式?？刂葡到y(tǒng)由閥位給定和閥位反饋信號構成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運行方式、速度而定，并具有自動過流保護、過載保護、超壓、欠壓、過熱、缺相、堵轉等保護功能。 該執(zhí)行機構解決的關鍵性技術問題主要有： 1)閥門柔性開關柔性開關主要是為了當閥關閉或全開時，保證閥門不卡死與損傷。執(zhí)行機構內部的微處理器根據測得的變頻器輸出電壓和電流，通過精確計算，得出其輸出力矩。一旦輸出力矩達到或大于設定的力矩，自動降低速度，以避免閥門內部過度的撞擊，從而達到最優(yōu)關閉，實現(xiàn)過力矩保護。 2)閥

23、位的極限位置判斷閥位的極限位置是指全開和全關位置。在傳統(tǒng)執(zhí)行機構中，該位置的檢測是通過機械式限位開關獲得的。機械式限位開關精度低，在運行中易松動，可靠性差。在文中，電動執(zhí)行機構極限位置通過檢測位置信號的增量獲得。其原理是，單片機將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號相比較，如果未發(fā)生變化或變化較小，即認為己達到極限位置，立即切斷異步電機的供電電源，保證閥門的安全關閉或全開。省去了機械式限位開關，無需在調試時對其進行復雜的調整。 3)電機保護的實現(xiàn)為了防止電機因過熱而燒毀，單片機通過溫度傳感器連續(xù)檢測電機的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機溫度過高，自動切斷供電電源。溫度傳感器內置于電機內部。

24、 4)準確定位傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構在異步電機通電后會很快達到其額定動作速度，當接近停止位置時，電機斷電后，由于機械慣性，其閥門不可能立即停下來，會出現(xiàn)不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機反向轉動來校正。機電一體化的大流量電動執(zhí)行機構根據當前位置與給定位置的差值以及運行速度的大小超前確定減速點的位置及減速段變化速率ki，使閥門在較低的速度下實現(xiàn)精確的微調和定位，從而將超程降到最低。 5)模擬信號的隔離。 對于變頻器的直流電壓以及輸出的三相電壓，它們之間的地址不一致，存在著較高的共模電壓，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須將它們彼此相互隔離。采用LM358和4N25組成了隔離線性放大電路。如圖4-1所示

25、，采用±15V和±12V兩組獨立的正負電源。若運放A的反相端電位由于擾動而正向偏離虛地，則運放A輸出端的電位將降低，因而光電耦合器的發(fā)光強度將增強，則使其集射極電壓減小，最后使運放A反相端的電位降低，回到正常狀態(tài)。若A的反相端電位負向偏離虛地，也可以重回到正常狀態(tài)。從而增強了系統(tǒng)的抗干擾性。 五、 機電一體化中繼電器保護的現(xiàn)狀與發(fā)展電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術、計算機技術與通信技術的飛速發(fā)展又為繼電保護技術的發(fā)展不斷地注入了新的活力，因此，繼電保護技術得天獨厚，在40余年的時間里完成了發(fā)展的4個歷史階段。建國后，我國繼電保護學科、繼電保護設計、繼電

26、器制造工業(yè)和繼電保護技術隊伍從無到有，在大約10年的時間里走過了先進國家半個世紀走過的道路。50年代，我國工程技術人員創(chuàng)造性地吸收、消化、掌握了國外先進的繼電保護設備性能和運行技術1，建成了一支具有深厚繼電保護理論造詣和豐富運行經驗的繼電保護技術隊伍，對全國繼電保護技術隊伍的建立和成長起了指導作用。阿城繼電器廠引進消化了當時國外先進的繼電器制造技術，建立了我國自己的繼電器制造業(yè)。因而在60年代中我國已建成了繼電保護研究、設計、制造、運行和教學的完整體系。這是機電式繼電保護繁榮的時代，為我國繼電保護技術的發(fā)展奠定了堅實基礎。自50年代末，晶體管繼電保護已在開始研究。60年代中到80年代中是晶體管

27、繼電保護蓬勃發(fā)展和廣泛采用的時代。其中天津大學與南京電力自動化設備廠合作研究的500kV晶體管方向高頻保護和南京電力自動化研究院研制的晶體管高頻閉鎖距離保護，運行于葛洲壩500 kV線路上2，結束了500kV線路保護完全依靠從國外進口的時代。在此期間，從70年代中，基于集成運算放大器的集成電路保護已開始研究。到80年代末集成電路保護已形成完整系列，逐漸取代晶體管保護。到90年代初集成電路保護的研制、生產、應用仍處于主導地位，這是集成電路保護時代。在這方面南京電力自動化研究院研制的集成電路工頻變化量方向高頻保護起了重要作用3，天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的集成電路相電壓補償式方向高頻保護也在多條220kV和500kV線路上運行