机电一体化中电动执行机构的控制与保护7.docx
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机电一体化中电动执行机构的控制与保护7
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唐山学院
毕业设计
设计题目：
机电一体化中电动执行机构的控制与保护
系别：
机电系
班级：
10级机电一体化
姓 名：
指导教师：
2012年11月3日
题目
机电一体化中电动执行机构的控制与保护
专业
机电一体化
班级
2010级
学生姓名
承担指导任务单位
导师姓名
导师职称
髙讲
一、毕业设计内容
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。
现场运行情况表明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点，充分利用了机电一体化技术带来的方便快捷。
二、基本要求
1.完成采用双环控制方案设计，其中内环为速度环，外环为位置环。
2.完成控制系统功能元件单片机、三相PWM波发生器、智能逆变模块、位置、电压、电流及检测电路、时钟电路、液晶显示单元的选型与设计。
三、设计组成：
图6张，说明书19页
四、应收集的资料及参考文献：
［1］ 邓 兵，等．数字阀门电动执行机构［J］．自动化仪表，2001
（1）．
［2］ AntsaklisPJ．Intelligenceandlearning［J］．IEEEControlSystMag，1995（15）．
［3］ 王福瑞，等．单片机微机测控系统设计大全［M］．北京航空航天大学出版社，1999，9－249．
［4］ 陈玉红．一种简单实用的线性光隔离放大器［J］．漳州师范学院学报（自然科学版），1999（4）．
五、进度计划：
2012年9月2日：
进行毕业设计指导，组织学员选择设计题目。
2012年9月2日—10日：
审定学员毕业设计大纲，发放毕业设计任务书。
2012年9月11日—17日：
审查学员毕业设计开题报告，开始撰写毕业设计。
2012年9月18日—10月6日：
学员组织材料，撰写初稿。
2012年10月7日—14日：
审查初稿，指导学员修改论文。
2012年10月15日—20日：
进行二次论文修改指导、定稿。
2012年10月21日—25日：
审订论文格式，告知打印一式两份。
2012年10月26日—11月3日：
最终定稿，告知准备论文答辩。
教研组主任签字
时间
年月日
唐山学院毕业设计开题报告
题目
机电一体化中电动执行机构的控制与保护
专业
机电一体化
班级
2010级
学生姓名
一、文献综述
1.机电一体化技术发展历程及其趋向
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。
现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动配电柜，具有机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。
鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。
笔者设计的大流量电动执行机构，采用机电一体化技术，将阀门、伺服电机、控制器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。
通过内置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等控制。
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。
2.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。
（1）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；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
为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MITEL公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。
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。
该执行机构主要适用功率小于5.5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0.75。
经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。
4）位置检测电路
笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。
5）电压、电流及检测
为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。
3.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。
速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较，通过速度调节器改变PWM波发生器载波频率，实现电机的转速调节。
速度调节器采用模糊神经网络控制算法（具体内容另文叙述）。
外环主要根据当前位置速度的设定，通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。
由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段。
各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。
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。
4.关键技术问题的解决
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。
执行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，通过计算，得出其输出力矩。
一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，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。
在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。
机械式限位开关精度低，在运行中易松动，可靠性差。
在文中，电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。
其原理是，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或全开。
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。
机电一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率，使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位，从而将超程降到最低。
5）模拟信号的隔离。
对于变频器的直流电压以及输出的三相电压，它们之间的地址不一致，存在着较高的共模电压，为了保证系统的安全性，必须将它们彼此相互隔离。
采用LM358和4N25组成了隔离线性放大电路。
3.本设计的特点
本设计方案简洁、明亮、大方，在满足使用要求前提下尽量选择合理、合适的材料、设计方法，以期待减小企业购买以及使用过程中的成本，达到较佳的经济效益。
谈到经济效益，即有设计和制造的经济效益，也有使用中的经济效益。
如果结构方案比较复杂，那设计及制造费用就高，但使用中的费用就偏低。
指导教师签字
时间
2012年9月17日
唐山学院毕业设计评语及成绩
学生姓名
专业
机电一体化
班级
2010级
学号
毕业设计题目
机电一体化中电动执行机构的控制与保护
指导教师姓名
指导教师职称
髙讲
指导教师评语：
论文设计方案合理、简洁，在满足使用的前提下，从材料选择，到设计方法，处处体现了节约节约、降低成本，降低消耗的设计理念，为企业提高了经济效益。
具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点，充分利用了机电一体化技术带来的方便快捷。
专家评语：
签字：
年月日
答辩小组意见：
答辩小组组长签字：
年月日
成绩：
院长（主任）签字：
年月日
目录
内容摘要1
插图索引2
引言3
第1章机电一体化技术发展历程及其趋向4
1．1机电一体化技术发展历程4
1．2机电一体化发展趋向4
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7
2.1系统工作原理7
2.2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11
第4章关键技术问题的解决13
第5章机电一体化中继电器保护的现状与发展15
5.1继电保护发展现状15
5.2 继电保护的未来发展16
5.2.1 计算机化16
5.2.2 网络化17
5.2.3 保护、控制、测量、数据通信一体化18
5.2.4 智能化19
结束语20
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。
现场运行情况表明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点，充分利用了机电一体化技术带来的方便快捷。
关键词：
电动机阀门继电器保护机电一体化技术总结
插图索引
图2-1电动执行机构控制系统框图……………………………………7
图2-2IPM输出电流、电压检测……………………………………9
图2-3程序出格自恢复电路……………………………………10
图3-1阀位及速度控制原理框图……………………………………11
图3-2执行机构的典型运行速度图…………………………………11
图4-1线性隔离放大器………………………………………………14
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