機電一體化論文機電一體化智能科技管理方向

1、機電一體化智能科技管理方向1引言在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行機構(gòu)起著十分重要的作用，它是 自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分?，F(xiàn)有的國產(chǎn)大流量電動執(zhí)行機 構(gòu)存在著控制手段落后、機械傳動機構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位精度低、 可靠性差等問題。而且執(zhí)行機構(gòu)的全程運行速度取決于其電機的輸出 軸轉(zhuǎn)速和其內(nèi)部減速齒輪的減速比，一旦出廠，這一速度固定不可調(diào) 整，其通用性較弱。整個機構(gòu)缺乏完善的保護和故障診斷措施以及必 要的通信手段，系統(tǒng)的安全性較差，不便與計算機聯(lián)網(wǎng)。鑒于以上原 因，采用傳統(tǒng)的大流量電動執(zhí)行機構(gòu)的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較 差。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線等技術(shù)在工業(yè)過程中的應(yīng)用，這種執(zhí) 行機構(gòu)已遠遠不

2、能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。筆者設(shè)計的大流量電動執(zhí)行 機構(gòu)，采用機電一體化技術(shù)，將閥門、伺服電機、控制器合為一體， 利用異步電動機直接驅(qū)動閥門的開與關(guān)。通過內(nèi)置變頻器，采用模糊 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)閥門的動作速度、精確定位、柔性開關(guān)以及電機轉(zhuǎn)矩 等控制。該電動執(zhí)行機構(gòu)省去了用于控制電機正、反轉(zhuǎn)的接觸器和可 控硅換向開關(guān)模件、機械傳動裝置和復(fù)雜、昂貴的控制柜和配電柜， 具有動作快、保護較完善、便于和計算機聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。實際運行表明， 該執(zhí)行機構(gòu)工作穩(wěn)定，性能可靠。2電動執(zhí)行機構(gòu)的硬件設(shè)計及工作原理電動執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。智能執(zhí)行機構(gòu)從 結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動部分?？刂撇糠种饕蓡?/p>

3、片機、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A 轉(zhuǎn)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(qū)動部分主要包括三相伺報電機和位置傳感器。系統(tǒng)工作原理：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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機。單片機通 過8255控制PWM波發(fā)生器，產(chǎn)生的PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模 塊IPM，實現(xiàn)電機的變頻調(diào)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。控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設(shè)計：1）單片機選用INTEL公司生產(chǎn)的8031單片機，它主要通過并行 8255 口擔負控

4、制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關(guān) 閉及閥門開度等設(shè)定信號，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信 號;處理IPM發(fā)出的故障信號和報警信號;處理通過模擬輸入口接收 的電流、電壓、位置等檢測信號;提供顯示電動執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài) 信號;執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng)反饋信號；2）三相PWM波發(fā)生器PWM波的產(chǎn)生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。 模擬法電路復(fù)雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能;數(shù)字法 是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，并存入內(nèi)存，然后通 過查表及必要的計算產(chǎn)生PWM波，這種方法占用的內(nèi)存較大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，

5、保 證微處理器有足夠的時間進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等功能， 文中選用MITEL公司生產(chǎn)的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是 專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內(nèi)部包含 了波形、頻率、幅值等控制信息。3）智能逆變模塊IPM為了滿足執(zhí)行機構(gòu)體積小，可靠性高的要 求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機構(gòu)主要適用功率小于 5.5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為0.75。經(jīng) 計算可知，選用日本產(chǎn)的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要 求。該功率模塊集功率開關(guān)和驅(qū)動電路、制動電路于一體，并內(nèi)置過 電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警

6、輸出，是一種高性能的功率 開關(guān)器件。4）位置檢測電路位置檢測電路是執(zhí)行機構(gòu)的重要組成部分，它的 功能是提供準確的位置信號。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng) 的電動執(zhí)行機構(gòu)中多采用繞線電位器、差動變壓器、導(dǎo)電塑料電位器 等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特 性不理想而受到限制。導(dǎo)電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點 的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖 數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區(qū)限 制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點。5）電壓、電流及檢測檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩， 以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻 器輸出的