机电一体化中的电机控制与保护毕业论文精编版.docx
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机电一体化中的电机控制与保护毕业论文精编版
机电一体化中的电机控制与保护毕业论文
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、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:
电动执行机构;单片机;阀门;变频技术
1引言1
2机电一体化技术发展历程及趋向1
2.1机电一体化技术发展历程1
2.2机电一体化发展趋向1
3机电一体化中电动执行机构的硬件设计及工作原理2
3.1系统工作原理2
3.2控制系统各功能元件的选型与设计2
4机电一体化中阀位及速度控制原理4
5关键技术问题的解决5
5.1阀门柔性开关5
5.2阀位的极限位置判断5
5.3电机保护的实现5
5.4准确定位6
5.5模拟信号的隔离6
致谢7
参考文献8
1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。
现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。
而且执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比,一旦出厂,这一速度固定不可调整,其通用性较弱。
整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段,系统的安全性较差,不便与计算机联网。
鉴于以上原因,本次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。
该电动执行机构省去了用于控制电机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的控制柜和配电柜,具有动作快、保护较完善、便于和计算机联网等优点。
2机电一体化技术发展历程及趋向
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。
2.1机电一体化技术发展历程
1.数控机床的问世,写下了机电一体化历史的第一页。
2.微电子技术为机电一体化带来勃勃生气。
3.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。
4.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。
2.2机电一体化发展趋向
1.数字化
微控制器发展奠定了机电产品数字化的基础,如不断发展的数控机床和机器人;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,如虚拟设计、计算机集成制造等。
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。
例如在CNC数控机床上增加人机对话功能,设置智能I/0接口和智能工艺数据库,会给使用、操作和维护带来极大的方便。
随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展,为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。
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(简称MEMS)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。
首先可将系统分解为若干层次,使系统功能分散,并使各部分协调而又安全地运转,然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来,使其性能最优、功能最强。
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。
3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。
3.1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M/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。
3.2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。
模拟法电路复杂,有温漂现象,精度低,限制了系统的性能,数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点,并存入内存,然后通过查表及必要的计算产生PWM波,这种方法占用的内存较大,不能保证系统的精度。
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。
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。
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。
该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体,并内置过电流、短路、欠电压和过热保护以及报警输出,是一种高性能的功率开关器件。
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。
关键问题是位置传感器的选型。
在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。
绕线电位器寿命短被淘汰。
差动变压器由于线性区太短和温度特性不理想而受到限制。
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。
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。
由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0~50Hz,采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。
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,如图1所示。
图1IPM输出电压、电流检测
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.液晶显示单元妳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所示,该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。
图2程序出格自恢复电路
工作原理:
一旦程序出格,WDO由高变低,由于微分电路的作用,由“与非”门输入引脚2变为高电平,引脚2电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲,使单片机产生一次复位,复位结束后,又由程序通过P1.0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲,使WDO引脚回到高电平,程序出格自恢复电路继续监视程序运行。
4机电一体化中阀位及速度控制原理
给定速度发生器
阀
电机
PWM波发生器
速度调节器
V+-
当前位置
位置
ds/dt
图3阀位及速度控制原理框图
采用双环控制方案,其中内环为速度不,外坏为位置环。
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波发生器载菠频率yl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。
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、在何位置开始匀越或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。
图4执行机构的典型运行速度图
图4为执行机构的典型运行速度图,它由若干段变化速率不同的折线组成。
将曲线上速率开始发生改变的那一点称为起始段点,相应的时间称为段起始时间,如图3-2中的t(i)(i=0,1,2,……),相应的速度称为段起始速度,如图4所示v(i)(i=0,1,2,…)。
设第i段速度的变化速率为ki,则:
ki=?
v/?
t
式中:
△v为两段点之间的速度变化值,△v=vi+1—vi;△t为两段之间的时间,△t=ti+1-ti。
显然,当ki=0时为恒速段,ki>0时为升速段,ki<0时为减速段。
任意时刻的速度给定值为:
Vi=v(i-1)+Ki*Ts,Ts为采样周期。
变化速率ki的取值由给定位置、当前位置以及运行速度的大小确定。
5关键技术问题的解决
该电动执行机构采用了最新的变频调速技术,电机驱动功率小于5.5kW。
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:
5.1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,通过精确计算,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,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。
5.2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。
5.3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。
5.4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ki,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。
5.5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。
如图5所示,采用士15V和士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。
图5线性隔离放大器图
致谢
这次毕业论文设计我得到了高老师和同学的帮助,其中我的论文指导老师对我的关心和支持尤为重要。
老师平日里工作繁多,但我做毕业设计的每个阶段,从选题到查阅资料,论文提纲的确定,中期论文的修改,后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。
这几个月以来,高老师不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想给我以无微不至的关怀,在此谨向高老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
同时,感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学,和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们。
在此,我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢!
参考文献
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