机电一体化中的电机控制与保护80951.docx

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机电一体化中的电机控制与保护80951

内蒙古农业大学（专升本）毕业论文

论文题目

机电一体化中的电机控制与保护

所学专业：

机械制造与自动化

学院证号：

学员姓名：

xx

工作单位：

xxxxx

指导教师：

xxx

【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

引言4

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5

第2章机电一体化中执行机构的设计及工作原理8

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14

5.1继电保护发展现状14

5.2继电保护的未来发展14

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

参考文献20

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，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。

随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用，这种执行机构已远远不能满足工业生产的要求。

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。

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。

实际运行表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。

自电子技术一问世,电子技术和机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,"机电一体化"技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注重.

第1章机电一体化技术发展历程及其趋向

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。

1．1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.

1．2机电一体化发展趋向

1数字化

　　微控制器及其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/O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（MicroElectronicMechanicalSystems，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。

自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。

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。

9绿色化

科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。

所以，人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。

绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。

在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。

10.光机电一体化.

一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源（动力）系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋向.

11.自律分配系统化——柔性化.

未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。

在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不同反应。

其特征是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。

这样，既明显地增加了系统的适应能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响整个系统。

12.全息系统化——智能化。

今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。

这主要收益于模糊技术、信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展。

除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。

13.“生物一软件”化—仿生物系统化。

今后的机电一体化装置对信息的依靠性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态（工作）时却是稳定的。

这有点类似于活的生物摘要：

当控制系统（大脑）停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统（大脑）工作时，生物就很有活力。

仿生学探究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入探究。

这一探究领域称为“生物——软件”或“生物系统”，而生物的特征是硬件（肌体）——软件（大脑）一体，不可分割。

看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。

14.微型机电化——微型化。

目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微M级的机械元件。

当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。

届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。

这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。

第2章机电一体化中执行机构的设计及工作原

电动执行机构控制系统原理框图如图2-1所示。

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。

2.1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A/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。

2.2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2-2所示。

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　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2-3所示，该电路由MAX705、与非门及微分电路组成。

工作原理为：

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。

第3章机电一体化中阀位及速度控制原理

阀位及速度控制原理框图如图3-1所示。

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。

执行机构各阶段运行速度的计算原理

图3-2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3-2所示vi）（i＝0，1，2，…）。

设第i段速度的变化速率为ki，则有：

式中：

Δv为两段点之间的速度变化值，Δv＝vi＋1－vi；

Δt为两段之间的时间，Δt＝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：

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。

第4章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：

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。

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）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4-1所示，采用±15V和±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。

第5章机电一体化中继电器保护的现状与发展

5.1继电保护发展现状

　　电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段。

　　建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。

50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术［1］，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。

阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。

因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教案的完整体系。

这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。

　　自50年代末，晶体管继电保护已在开始研究。

60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。

其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝500kV线路上［2］，结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代。

　　在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。

到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。

到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。

在这方面南京电力自动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用［3］，天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条220kV和500kV线路上运行。

　　我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究［4］，高等院校和科研院所起着先导的作用。

华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。

1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用［5］，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。

在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机?

变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定，投入运行。

南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。

天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过鉴定。

至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。

随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。

可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。

5.2　继电保护的未来发展

　　继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

5.2.1　计算机化

　　随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。

原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经历了3个发展阶段：

从8位单CPU结构的微机保护问世，不到5年时间就发展到多CPU结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。

华中理工大学研制的微机保护也是从8位CPU，发展到以工控机核心部分为基础的32位微机保护。

　　南京电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为基础的微机线路保护，已得到大面积推广，目前也在研究32位保护硬件系统。

东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过了多次改进和提高。

天津大学一开始即研制以16位多CPU为基础的微机线路保护，1988年即开始研究以32位数字信号处理器（DSP）为基础的保护、控制、测量一体化微机装置，目前已与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的32位大模块，一个模块就是一个小型计算机。

采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。

CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存（Cache）和浮点数部件都集成在CPU内。

　　电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。

这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。

在计算机保护发展初期，曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。

由于当时小型