畢業(yè)論文-機(jī)電一體化專業(yè) 機(jī)電一體化中的電機(jī)控制與保護(hù)

1、機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)的控制與保護(hù)列表選擇內(nèi)容量1【關(guān)鍵詞】1插入圖1引文1第一章機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢(shì)11.1機(jī)電一體化技術(shù)開(kāi)發(fā)課程11.2機(jī)電一體化發(fā)展趨勢(shì)1佐原健二機(jī)電一體化電動(dòng)執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)和工作原理42.1系統(tǒng)工作原理4第三章機(jī)電一體化閥門位置和速度控制原理6第四章解決主要技術(shù)問(wèn)題7第五章機(jī)電一體化繼電保護(hù)現(xiàn)狀及發(fā)展95.1繼電保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀95.2繼電保護(hù)的未來(lái)發(fā)展105.2.1計(jì)算機(jī)化105.2.2網(wǎng)絡(luò)115.2.3保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信集成125.2.4智能13結(jié)論13參考文獻(xiàn)14內(nèi)容根據(jù)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景，提出了新型電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了該執(zhí)行器各種功能元

2、件的選擇和設(shè)計(jì)、閥門位置和速度控制原理以及各種主要問(wèn)題的解決方法。該執(zhí)行器集成了閥門、伺服電動(dòng)機(jī)、控制器，使用8031單片機(jī)、變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)閥門運(yùn)動(dòng)速度和位置控制，解決了閥門精確位置、閥門柔性開(kāi)關(guān)、極限位置判斷、電動(dòng)機(jī)保護(hù)和模擬信號(hào)隔離等技術(shù)問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該傳動(dòng)裝置具有快速的動(dòng)作、完善的保護(hù)功能和容易與計(jì)算機(jī)通信的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了機(jī)電一體化技術(shù)帶來(lái)的便利和快速。關(guān)鍵詞:電機(jī)閥繼電保護(hù)機(jī)電一體化技術(shù)綜述餐飲圖2-1電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)方框圖.4圖2-2 ipm輸出電流、電壓檢測(cè).5圖2-3程序外自行恢復(fù)電路.6圖3-1閥門位置和速度控制原理方框圖.6圖3-2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行速度.7圖4-1線

3、性絕緣放大器.8引文執(zhí)行機(jī)構(gòu)在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程管理中起著非常重要的作用，這是自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的一部分?，F(xiàn)有國(guó)產(chǎn)大電流傳動(dòng)執(zhí)行器存在控制手段落后、機(jī)械傳動(dòng)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、位置精度低、可靠性差等問(wèn)題。而且，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行速度取決于電動(dòng)機(jī)的輸出軸速度和內(nèi)部減速齒輪的減速比，一旦出廠，這種速度就不可調(diào)節(jié)，普遍性下降。整個(gè)機(jī)構(gòu)缺乏完善的保護(hù)和故障排除措施和必要的通信手段，系統(tǒng)的安全脆弱，不方便連接計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。為此，傳統(tǒng)大電流傳動(dòng)執(zhí)行器的控制系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性差。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。集成閥門、伺服電動(dòng)機(jī)、控制器，設(shè)計(jì)了利用異步電動(dòng)機(jī)

4、直接驅(qū)動(dòng)閥門開(kāi)關(guān)的機(jī)電一體化技術(shù)。通過(guò)內(nèi)置變頻器，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)閥門運(yùn)動(dòng)速度、準(zhǔn)確定位、靈活開(kāi)關(guān)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩等控制。該電動(dòng)執(zhí)行器用于控制電動(dòng)機(jī)正向、反向接觸器和晶閘管整流開(kāi)關(guān)模、機(jī)械變速器和復(fù)雜昂貴的控制柜和配電柜，具有快速動(dòng)作、更完整的保護(hù)、更容易的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行表明，執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，性能可靠。電子技術(shù)出現(xiàn)后，電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)的結(jié)合受到了半導(dǎo)體集成電路(特別是微處理器代表的大規(guī)模集成電路出現(xiàn)后)“機(jī)電一體化”技術(shù)的發(fā)展的廣泛關(guān)注。第一章機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展歷程和趨勢(shì)機(jī)電一體化、微電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等多個(gè)領(lǐng)域的跨學(xué)科融合，其發(fā)展和發(fā)展取決于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，主要發(fā)展

5、方向是數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、小型化、整合、源泉化和綠色化。1.1機(jī)電一體化技術(shù)開(kāi)發(fā)課程1、數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)寫了機(jī)電一體化歷史的第一頁(yè)；2、微電子技術(shù)給機(jī)電一體化帶來(lái)活力。3、可編程邏輯控制器、“電力電子”等的開(kāi)發(fā)為“機(jī)電一體化”提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)；4、激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)將“機(jī)電一體化”推向新的高度。1.2機(jī)電一體化發(fā)展趨勢(shì)1、數(shù)字化微控制器及其開(kāi)發(fā)為不斷發(fā)展的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等機(jī)電產(chǎn)品的數(shù)字化提供了基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速興起開(kāi)辟了虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)集成制造等數(shù)字設(shè)計(jì)和制造的道路。數(shù)字化要求機(jī)電一體化產(chǎn)品的軟件具有可靠性、可操作性、可維護(hù)性、自我診斷功能和熟悉的人機(jī)

6、界面。數(shù)字化可以簡(jiǎn)化遠(yuǎn)程操作、診斷和恢復(fù)。2，智能也就是說(shuō)，機(jī)械和電氣產(chǎn)品需要智能，以具有邏輯思維、判斷、自主決策等能力。例如，將人機(jī)對(duì)話功能添加到cnc cnc機(jī)床中，設(shè)置智能i/o接口和智能流程數(shù)據(jù)庫(kù)，使使用、操作和裴珉姬管理非常方便。隨著模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論、小波理論、混沌和分支等人工智能技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，為機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的天地。3，模塊化機(jī)電一體化產(chǎn)品的種類和制造商很多，因此開(kāi)發(fā)和開(kāi)發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電源接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元模塊是一項(xiàng)復(fù)雜而有希望的工作。如果開(kāi)發(fā)具有集速、變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)一體化的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置；具有視覺(jué)、圖像處理、識(shí)別和距離測(cè)量等功能

7、的電動(dòng)機(jī)集成控制裝置等。因此，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，可以利用這些標(biāo)準(zhǔn)模塊化單元快速開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。4、網(wǎng)絡(luò)由于網(wǎng)絡(luò)的普及，多種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)占了優(yōu)勢(shì)。遠(yuǎn)程控制的終端本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)技術(shù)使家電網(wǎng)絡(luò)成為可能，通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)將各種家電連接到以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)的集成家電系統(tǒng)，使家庭充分享受各種先進(jìn)技術(shù)的好處，機(jī)電一體化產(chǎn)品將需要向網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。5、人性化機(jī)電一體化產(chǎn)品的最終使用對(duì)象是人。如何給機(jī)電一體化產(chǎn)品賦予智能、情感和人性變得越來(lái)越重要。機(jī)電一體化產(chǎn)品除了完美的性能外，在顏色、建模等方面與環(huán)境協(xié)調(diào)，使用這種產(chǎn)品對(duì)人來(lái)說(shuō)仍然是一種藝術(shù)享受。例如，家庭機(jī)器人的最高領(lǐng)

8、域是人機(jī)集成。6、小型化小型化是精細(xì)加工技術(shù)發(fā)展的必然，也是提高效率的需要。micro electronic mechanical systems(mems)是一個(gè)可以對(duì)微機(jī)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器和信號(hào)處理和控制電路進(jìn)行批量制造的系統(tǒng)，包括具有一個(gè)接口、通信和電源的小型設(shè)備或系統(tǒng)。1986年，美國(guó)斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)了第一個(gè)醫(yī)用微型探針，1988年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)了第一個(gè)微型馬達(dá)，在國(guó)內(nèi)外mems技術(shù)、材料和微機(jī)構(gòu)研究方面取得了很大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了各種微傳感器(壓力傳感器、微加速度計(jì)、微觸覺(jué)傳感器)、各種微組件(縮微膠片、微束、微探針、微探針)7、集成整合包括各種技術(shù)的相互滲透、相互融合

9、和對(duì)各種產(chǎn)品的徐璐不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和復(fù)合，還包括在生產(chǎn)過(guò)程中同時(shí)處理加工、裝配、測(cè)試、管理等多種工序。要實(shí)現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)自動(dòng)化和效率，必須確保系統(tǒng)更加廣泛的靈活性。首先，將系統(tǒng)劃分為多個(gè)層，以分散系統(tǒng)功能，曹征和安全地運(yùn)行各個(gè)部分，然后通過(guò)軟硬件將各個(gè)層有機(jī)地連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和功能。8、源化也就是說(shuō)，像太陽(yáng)能電池、燃料電池、大容量電池等機(jī)電一體化產(chǎn)品有自己的能源。因?yàn)樵诤芏嗲闆r下不能用電，移動(dòng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品提供了獨(dú)特的動(dòng)力源。物化是機(jī)電一體化產(chǎn)品的發(fā)展方向之一。9、綠色化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了巨大的變化，物質(zhì)豐富的同時(shí)，也帶來(lái)了資源減少和生態(tài)環(huán)境惡化的后果。因此，人們高

10、喊保護(hù)環(huán)境，回歸自然，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的呼聲中，產(chǎn)生了綠色產(chǎn)品概念。環(huán)保產(chǎn)品是指低能耗、低材料消耗、低污染、舒適、曹征、可回收的產(chǎn)品。機(jī)電一體化產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、使用和破壞時(shí)必須滿足環(huán)境和人體健康要求，主要使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)品壽命結(jié)束后可以拆卸和回收。10、光電集成。典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等組件組成。因此，隨著光學(xué)技術(shù)的引入，光學(xué)技術(shù)與生俱來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是，可以有效地改善機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)、能量(電力)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)。光伏集成是機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢(shì)。11、自律分配系統(tǒng)化靈活性。未來(lái)機(jī)電一體化產(chǎn)品、控制和執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)為“冗余”充分、“靈活

11、”強(qiáng)、應(yīng)對(duì)突發(fā)事故和“自主分配系統(tǒng)”。在自主分配系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)徐璐獨(dú)立運(yùn)行，子系統(tǒng)在為整個(gè)系統(tǒng)提供服務(wù)的同時(shí)，對(duì)不同的環(huán)境有不同的反應(yīng)，具有自己的“自主分配”。其特點(diǎn)是子系統(tǒng)生成自己的信息并附加給定的信息，一般來(lái)說(shuō)，具體的“動(dòng)作”可能會(huì)發(fā)生變化。這將顯著提高系統(tǒng)的適應(yīng)性(靈活性)，并防止特定子系統(tǒng)故障影響整個(gè)系統(tǒng)。12、全息系統(tǒng)化智能。未來(lái)機(jī)電一體化產(chǎn)品全息的特性越來(lái)越明顯，智能水平也在提高。這主要是基于模糊技術(shù)、信息技術(shù)(尤其是軟件和芯片技術(shù))的發(fā)展。此外，系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)是復(fù)雜、冗馀的雙向連接，具有簡(jiǎn)單的“自上而下”情況。13、“生物1軟件”化-仿生物系統(tǒng)化。未來(lái)的機(jī)電一體化設(shè)備對(duì)信息的

12、依賴性高，結(jié)構(gòu)“靜態(tài)”時(shí)不穩(wěn)定，但動(dòng)態(tài)(工作)時(shí)穩(wěn)定。這有點(diǎn)像活生物概要。控制系統(tǒng)(大腦)停止工作，生物“死亡”，控制系統(tǒng)(大腦)啟動(dòng)，生物就活躍起來(lái)。在仿生學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一些有機(jī)體的優(yōu)秀器官可以為機(jī)電一體化產(chǎn)品提供新的氣體，但使這些新生命擁有生命的方法還需要進(jìn)一步探索。這個(gè)探索領(lǐng)域被稱為“生物軟件”或“生物系統(tǒng)”，其特點(diǎn)是生物將固體部件(肌肉體)軟件(大腦)捆綁在一起。機(jī)電一體化產(chǎn)品雖然在生物學(xué)上系統(tǒng)化，但似乎走了很長(zhǎng)的路。14、微機(jī)電化學(xué)微型化。目前利用半導(dǎo)體器件制造過(guò)程的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室制造了亞微米單位的機(jī)械零件。將此結(jié)果用于實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，無(wú)需區(qū)分機(jī)器部分和控制器。然后，機(jī)器和電子

13、可以完全“融合”，機(jī)體、執(zhí)行器、傳感器、cpu等集成在一起，形成體積小、可自行調(diào)整的組件。這種微機(jī)械是機(jī)電一體化的重要發(fā)展方向。佐原健二機(jī)電一體化電動(dòng)執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)和工作原理電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)的框圖如圖2-1所示。智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠种饕▎纹瑱C(jī)、pwm波發(fā)生器、ipm逆變器、a/d、d/a轉(zhuǎn)換模塊、整流模塊、i/o通道、故障檢測(cè)和報(bào)警電路等。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器部分主要包括三相前導(dǎo)電機(jī)和位置傳感器。2.1系統(tǒng)工作原理霍爾電流、電壓傳感器和位置傳感器檢測(cè)到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓和閥門的位置信號(hào)通過(guò)a/d傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。單片機(jī)通過(guò)光電耦合將通過(guò)8255控制pw

14、m波發(fā)生器產(chǎn)生的pwm波作用于逆變模塊ipm，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的變頻調(diào)速和閥位置控制。逆變模塊運(yùn)行所需的直流電壓信號(hào)是由整流電路中380v電源的全橋整流獲得的。2.2控制系統(tǒng)各種功能元素的選擇與設(shè)計(jì)1、單片機(jī)主要通過(guò)并行8255端口控制系統(tǒng)信號(hào)處理(轉(zhuǎn)矩、閥打開(kāi)、關(guān)閉和閥打開(kāi)等的信號(hào)設(shè)置，提供三相pwm波發(fā)生器所需的控制信號(hào))選擇英特爾制造的8031單片機(jī)。處理ipm發(fā)送的錯(cuò)誤和警報(bào)信號(hào)。處理通過(guò)模擬輸入端口接收的電流、電壓、位置等檢測(cè)信號(hào)。提供顯示電動(dòng)執(zhí)行器工作狀態(tài)的信號(hào)。運(yùn)行控制系統(tǒng)向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)的控制信號(hào)；2、3相pwm波發(fā)生器pwm波生成通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬電路復(fù)雜，有溫度漂移

15、現(xiàn)象，精度低，限制系統(tǒng)性能；數(shù)字方法根據(jù)徐璐不同的數(shù)字模型，用計(jì)算機(jī)計(jì)算每個(gè)切換點(diǎn)，將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中，然后通過(guò)檢查表和必要的計(jì)算生成pwm波，占用了無(wú)法保證系統(tǒng)準(zhǔn)確性的大內(nèi)存。本文使用mitel制造的sa8282作為三相pwm生成器，以滿足智能電源模塊所需的pwm波控制信號(hào)，從而確保microprocessor有足夠的時(shí)間執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、保護(hù)和控制等功能。sa8282是具有獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口的專用大規(guī)模集成電路，芯片內(nèi)部包含波形、頻率、振幅等控制信息。3、智能逆變模塊ipm使用智能電源模塊ipm，以滿足執(zhí)行器的小而可靠的要求。此執(zhí)行器主要面向額定電壓為380v、功率因數(shù)為0.75的小于5.5kw的三相異步電動(dòng)機(jī)。日本制造的智能電源模塊pm50rsa120可滿足系統(tǒng)要求。該電源模塊是高性能電源開(kāi)關(guān)設(shè)備，將電源開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)器電路、制動(dòng)電路捆綁在一起，并集成了過(guò)流、短路、低壓和過(guò)熱保護(hù)、報(bào)警輸出。4、位置檢測(cè)電路位置檢測(cè)電路是執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供準(zhǔn)確位置信號(hào)的重要組成部分。重要的問(wèn)題是位置傳感器的選擇。傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行器中常用繞組電位器、差動(dòng)變壓器、導(dǎo)電塑料電位器等。繞組電位器壽命短。差動(dòng)變壓器受線性區(qū)域太短，溫度特性不理想的限制。導(dǎo)電塑料電位器目前應(yīng)用更廣，但有觸點(diǎn)，壽命不長(zhǎng)，準(zhǔn)確度不高。筆者使用位置傳感器作為無(wú)觸點(diǎn)