机电一体化智能大流量执行机构的研究.docx
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机电一体化智能大流量执行机构的研究
机电一体化智能大流量执行机构的研究
绪论
1.1研究背景
在控制领域中,无论是科学研究还是实际生产操作,电动机都是一个非常重要得环节,是完成控制过程中的关键因素,不可或缺,因此也是一个控制研究的热点问题。
国内对于电动机的研究,因为其具有复杂的机械结构,关联因素多,烦扰大加之研究过程起步较晚,缺乏经验指导,是的对电机的控制效果并不理想。
尤其是对大功率、大负荷的电机,控制研究更是存在精度不高,定为不准确等问题,严重时甚至会发生生产安全,为企业带来不必要的损失。
电机的运行状态取决于其内部物理和机械构造结构,这些因素由于是在生产电机的过程中就已经决定了的,在使用电机的时候并无法改变这些内部构造,这使得在使用过程中想改变电机的物理运行状态变得极为困难,而且每一个电机的内部构造也存在差异,控制策略往往可移植性相对较弱。
除了对电动机自身的控制以外,对电机工作状态下的安全防范,故障检测与报警,电机与其他设备和控制器的交互通信功能等方面的技术相对空白较多,是的控制系统的整体稳定性,尤其在长时间运行下的效率保证并不理想。
由于电机控制中存在着上述问题,是的在各领域的运用时往往无法满足要求,对于高精度的工业制造领域,更是困难重重,对这些方面的研究迫在眉睫。
本文将控制器、驱动器、电机装置、控制阀门等相关设备和装置进行整合成为一个有机整体,控制策略上以变频技术为核心,融入模糊控制理论和神经网络算法实现大功率、超负荷状态下电机在工作状态时的速度与位置的精确控制,并达到了控制反应迅速,动作精确,操作安全,便于与其他设备进行交互等特点,并能够在长时间工作下的保证稳定状态,在实验中达到了理想的预期效果。
1.2国内外研究现状
电动机是一种将电能转变为机械能的一种装置,是当今社会上最普遍的一种将电能变化机械能的一种装置,如果生活中没有这种装置,想想当今的世界会是什么样子的呢。
原始的电动机是比较单一的,其功能也与当今社会的电动机执行机构是没有办法比较的,就是接通电能以后是转动的,电动机的转速也是比较恒定不变的。
人们对于生产,生活的转速是要求不同的是不能恒定不变的,电动机的转速对于生活要求也是多种多样的的。
然而当初我们设定的出厂的电动机一旦出厂就是恒定不变的,这和人类生活需求是相互矛盾的。
生活中刚开始解决这一矛盾是研究出来的是变速器是将电机的恒定的转数变为使用机械要求的恒定的转数。
即使这样可以解决这种矛盾但是给生活生产中带来了许多的不便。
其原因是变速器是一种独立的电气设备,需要制造成本,需要制造的。
通过变速器以后得到的转速依然是恒定不变的。
也就是说如果想让一台电动机有着多个转速,就需要多个变速器来为他改变速度。
在现实生活中,有多个变速器是增加了很大的一部分投资。
随着科学的发展半导体和集成电路的出现使这种现状有了明显的改善,给智能电动机的出现提供了先决条件把电动机推向一个高潮。
中国已经大概在20世纪中期的时候已经开始对俄罗斯以及机电一体化进行了研究和说明.一直到60年代中期的时候,由于行业的要进行整顿调整.就在60年代中期的时候形成了研究和生产我国对气阀类的产品也有了多样化的科研工作.我国经过长期不断地刻苦研究和发展,已经在电机控制领域取得了很多进步和成果,有了很多产品即的产品,标志着我国自主研发能力不断快速进步,并在实际生产中得到了广泛地应用,取得了较好的效果,在随着计算机技术和自动化、智能化控制理论的产生和推广,数字式的产品也逐渐产生并随着快速的发展和进步占领了主流市场,取代了以前的产品,但是这些成果和国外的先进技术相比,还存在着不小的差距,我国的产品还有很多的缺陷和不足急待科研工作者逐一攻破。
由于种种技术的落后使得各个商家和开发商都不愿意把金钱投入到这个行业,因为技术远远不成熟.再加上建国以后中国是不明白不懂为什么要发展执行机构的研究和开发有什么重要的意义,对以后的工业会有咋样意义和历史性的发展,会给中国以后的工业有什么变化。
但是在改革开放以后执行机构的飞速发展与改革初期有着翻天覆地的不同技术上有了飞跃性变化.从现在的发展情况来看,中国对于执行机构的投资也有了好几十家,而且好大一部分的人员都加大了对执行机构的投资投入.即使是这样执行器的智能化方面,在控制与性能发面还是处于落后的技术方面。
中国很多大规模控制研发厂商的研究成果和生产出的产品在工业领域的应用中已经有了一定的市场,但是因为生产出的产品功能单一,缺乏复杂环境的适应性,应用范围相对较小,也因为技术和产品质量上的缺陷和不足,在大功率,超负荷和高精度要求的工业生产环境下,其工作效果并没有国外产品的效果理想,尤其是在一些特殊要求的生产领域中,很多设备依旧依靠进口国外的先进设备进行生产,也远远不能满足现在当今市场高端开放式执行机构的要求.
在中国的执行机构的研究方面来看.国外的设计、制造、生产。
还是存在着巨大的差异和挑战.在与产品的应用方面和产品的投入方面还有产品的类型等各种各样的方面还是没有办法达到生活生产的要求的.
在国外的执行器的研究有以下几个方面比较突出:
在智能技术方面、变频调速方面和自我保护器方面和完善的切除系统自我诊断能力,高达的显示功能系统已经通讯系统发展、功能集成化和标准化科研与产品设计等多方面。
国外经过多方面的不断研究,已经有了很多具有代表性的产品,其中包括数字式智能化的阀门控制定为装置,电机精确驱动和智能控制器,交互式智能化电机设备和具有人工智能的电机设备等产品。
机电一体化电动执行机构的工作原理
2.1电动执行机构的硬件设计及工作原理
以下是机电一体化智能大流量执行机构的工作原理框图如图所示.将机械制造业和计算机技术、自动控制技术相结合的机械电子学在大功率超负荷的电机结构中主要可以包含设备驱动部分,设备工作控制部分,故障监控与设备故障维修部分,生产危险与故障报警部分等组成。
电机控制驱动部分主要有电机工作启动与控制部分和电机工作状态和位置感应与监控部分组成。
电机控制系统在常规工作状态下正常运行的工作原理为:
控制电流在经过电机时产生霍尔现象,通过内部感应装置和位置控制监控感应器检测到的工作状态,将直流电流通过逆变变成交流电。
将收集到的电机电压数据所对应的执行机构的位置状态作为输出信号向外部设备发送,.经过A/D机器转换后经过鉴定送入单片机.通过上述工作过程完成数字化和智能化的计算机控制电机工作全过程并保证执行阀门的精确位置控制要求和保证系统稳定。
将直流电流经过逆变后输出交流电发出的各种监控信号通过专用电路进行电流整合可以得到。
2.2控制系统各功能元件的选型与设计:
(1)微控制器。
微控制器选用高集成性的体积小巧的单片机作为中央控制器,选择的单片机型号为8031.单片机主要实现接受外部信号并对信号进行内部计算处理,以此来输出信号达到对电机进行驱动和控制的目的。
使用脉冲宽度调制改变电机速度,达到变速控制并对控制信号进行噪声滤波,并用智能功率模块完成驱动电路的设计,针对大功率设备长期工作的状态,对设备故障进行实时监测,并保护电路使用寿命。
经过传感器和其他监测,数据采集装置,对生产和工作状态进行采集,将接受到的模拟信号经过处理和运算,依据生产工艺和控制要求,生产输出控制量,并对执行设备进行精确控制。
(2)从脉冲宽度调制器中发出的对电机的控制驱动信号可以分为模拟控制信号和数字控制信号两种控制信号。
模拟机器的信号电路是比较复杂的,在精度方面是比较低的,对于系统的性能方面也有相对不良的影响,数字式的控制方式是首先对控制对象建立一个可以描述对象控制过程的具有实际意义的合理的模型,然后通过对模拟信号进行采样,别切将模拟输入量进行离散数字化以后,将得到的离散数字输入量存储在计算机内,然后通过预先对数据进行存储的数据进行查表比较,得到实际控制对象的模拟量图标或者波形图,这种方法要求有足够的数据存储空间,并且要求计算实时性能能够满足工业要求,需要达到一定的硬件要求,存储量越大,所能达到的控制精度也会上升,并且为了保证控制系统具有对设备故障的监测与报警功能,需要足够的计算速度来满足实时性的要求,最终试验系统的性能稳定和控制的智能化。
在选用的SA8282用于三相PWM发生器。
其SA8282芯片主要是有波形、频率、幅值等条件.
(3)机械电子化系统中智能功率模块可以将驱动开关控制模块和功率模块集成在一起,并实现故障检测功能,由于该模块可以实现高集成,大大减小了设备的体积,并能够保证高的可靠性能,对于电动机的驱动控制,其额定电压一般采用380V,对于功率相对较小的执行设备,再加上考虑电机内部电感的存在等因素,功率因数往往小与1,本控制系统采用PM50RSA120模块完成控制器的设计和实现。
(4)执行器定为检测。
执行电机的位置的控制与检测是控制系统中重要的组成部分,保证了整个系统的工作状态和保证控制质量,实现系统的正常运行和故障的排除。
定为检测重要是采集执行器具体工作情况和运行位置的装置,保证控制的精确程度。
选择适合的传感器作为位置定为检测器,采集执行设备的具体运行位置,并向中央控住处理器传输数据。
一般这样的传感器又叫定位器。
基于性能,精确度和使用寿命等的要求和考虑,本文选用的定为传感器为数字式的传感器,其工作原理是基于脉冲信号传输,不仅精确度较高,器件功耗较小,能够保证长时间的使用寿命。
.变压器由于线性比较短的温度也是受限制的其是不太理想的也是不能实现机电一体化智能大流量执行机构.导电电位器是目前最常用的一种仪器,但是导电电位器的使用寿命也是短的,位置传感器为脉冲数字式传感器.这种传感器是没有很多的触点使得使用寿命比较长,其精确度非常高,稳定性能也是比较好也没有良好的温度限制.
(5)采集数据和控制命令传输接口。
实现集散控制的策略,和远程的交互能力,需要设备具有相对较远的数据传输功能,将现场采集到的数据和参数通过数据传输接口发送到中央控制器中,并从远程的中央控制器中接受控制命令和信号,执行需要的操作。
为了实现数据的双工通信功能,采用MAX232通信接口,支持RS232通信标准,电源供电电压为5V。
(6)振荡计时电路。
振荡计时电路模块可以保证各模块之间协调工作,达到周期同步的目的,另外利用计时模块可以用来计算与时间相关的数据,比如当前时间和毫秒数等等,振荡计时模块本文选用DS12887提供的功能进行设计与实现。
该电路模块具有稳定,可用于长时间大规模运算等特点,符合本文设计要求,能够达到预期效果。
(7)输出数据显示模块。
为了实现操作人员和控制设备之间的交互功能,是现场人员能够方便及时地了解设备工作情况,本文选用液晶显示器模块对数据的输出进行及时显示,保证现场人员对操作设备的工作效率。
2.3阀位及速度控原理
在控制过程中,内测控制主要负责电机速度的调节,而电机执行位置的控制交由外侧控制来完成,达到协调统一的目的。
在内测速度控制算法中,首先测量电机实时速度参数,然后将该参数与工艺额定速度参数相比较,计算出速度差值,然后由控制器使用调频宽度控制方式输出控制命令,最终完成对电机的速度控制要求,对于具体的速度控制算法,采用目前流行,先进的神经网络算法进行计算,效果显著。
外侧的位置控制主要由电机当前所在工作位置和状态,电机运行方向和速度等多方面因素决定,检测到的当前位置与要求控制目标位置相比较,通过运动规律进行计算,便可计算出需要控制的各参数具体数值,将这些数据作为控制命令发送给驱动器对电机进行控制。
在目前位置与目标位置相差较远时,应该加速控制速度,是的电机尽快到达目标位置,加快调节时间,提高系统到的响应,当实际位置与目标位置接近时,应该降低电机的调节速度,做到精确调节,提高系统的操作精度。
2.4重要技术疑难的处理
电机控制系统驱动装置采用变频驱动速度调节技术,根据输出电压的不同而改变电机工作速度,将通过对工作实时工艺数据的采集和与设定要求参数向对比,得出控制策略,将反馈信息用来对电机做出进一步的控制动作,形成一个闭环的控制环境,并设计保护电路保证系统的稳定。
这一执行机构能够处理的重要性技术问题有:
(1)阀门柔性开关
柔性开关的主要作用是对电路起到一定的保护作用,延长开关的使用寿命通过中央单片机,微处理器通过电压和电流,经过精准推算,测得其输出来的力矩,在需要电路保护时放慢电机工作速度,最终将开关关闭,起到电路保护的作用。
(2)阀位的极限位置确定
位极限位置指的是全关和全开位置。
在以前的执行机构当中,该位置是用机械式限位开关来检验的。
由于机械式的限位开关准确度较低,在运转当中会变得松动,准确性较差。
在本设计当中,通过检查位置信号增量的获得来确定电动执行机构极限位置。
这里的运行原理是,单片机将此次测得的位置信号与前一次测得的数据值做差值运算,如果计算结果在可以接收到较小范围之内,达到可以忽略的程度,这样的话则确定控制距离已经到达了上限而无法在继续增加,这是则应该将电源电压关闭,做到控制简单,对电路起到保护作用。
(3)电机保护的完成
当大功率的电机在长时间工作,超负荷状态下时,由于功耗的增加使得电路内部温度增加,如果散热性能不够好,则会影响电路的性能,甚至减少使用寿命,这时,电机内部应安装有温度感应装置,当检测到电机电路温度过高时,应该停止电机工作,切断电源,保护设备。
(4)准确定位
当控制电路控制电机工作是,驱动装置将电机位置控制到预期位置时,控制器停止控制操作干预电机运行,但由于电机具有惯性的作用,当控制器停止控制操作时,电机会因为自身惯性的原因会自动运行一小段距离,这样将会偏离预设位置,导致控制操作的不稳定和不精确性,为了满足控制要求,会要求控制驱动装置能够进项一段反向的控制调节过程,保证控制质量,最终完成精确控制。
抗干扰的分析与措施
在现代高精度,高质量工业生产要求的环境下,控制系统要求具有全面,先进,多样化,强适应性等功能和特点,而且在生产中制造中还要有强烈的抗击干扰的能力,这样才能准确完善的制造和生产各种器件的功能,机械电子化控制理论对于控制大功率,超负荷电机在精确工作的实际生产中,由于现在制造产品运作中有环境复杂,条件多变,干扰源多,干扰因素多样化,导致生产工作环境不利于生产质量的保证。
因此,在设计控制系统的时候,需要充分,全面的考虑干扰源对控制所产生的不利因素,将这些不利因素避免或者进行修正,达到正确,理想的控制要求,避免意外的产生。
3.1干扰源的抑制方法
干扰因素因为环境的复杂性而具有不确定性和多样性。
在电机中通电工作是由于电感的作用而产生电磁干扰是电机控制系统中普遍存在的干扰因素,需要将这些干扰屏蔽,因此需要增加屏蔽电磁干扰的装置。
3.1.1电源干扰及抗干扰措施
电源供电是也会产生很多干扰因素,主要有:
通电工作时因为放点作用导致电流产生峰值,电压不稳定而产生变化等。
在实际生产条件下任何电气设备都电源或者是输电电路都是存在内阻的,理想的电源除外,这些不稳定因素会产生控制中的电气类干扰噪声,这些干扰问题的解决目前十分迫切,需要大量的研究工作来解决,目前所采用的主要手段为在供电电源之后增加稳压装置。
3.1.2传输通道干扰及抗干扰措施
信号和电气传输由于工作现场和控制要求等原因,有时候需要长距离进行传输,在传输过程中产生的干扰和衰减也是需要研究和解决的问题,一般可以采用高质量的传输介质,并在传输过程中使用信号稳定和增强功能,并增加信号滤波装置进行解决。
.如果使用光电藕合的优势在于它能便于的抑制尖峰脉冲的方法,以上的思考方法就是足以能够阻止干扰源的传播进一步进行有效的隔离阻止措施.
3.2硬件抗干扰措施
在噪声和干扰的排除和滤波,硬件的使用效果比较好,保证系统的性能稳定,并且不会降低系统的响应速度。
在系统运行与设计的方法中是一个重要的措施是不能忽略的一个重要问题.。
3.2.1电源设计
①因为在在整个控制系统中,设备的功能和类型多样,型号不尽相同,因此对于这些设备的电源需要分别进行不同的设计,并且能够保证互相不会干扰,增强系统的抗干扰能力,增加稳定性。
②在电源供电时,一般会使用稳压装置降低供电电压的不稳定波动,消除工作电流的突变情况,一般会增加一些电容装置保证电路稳定电流。
3.2.2屏蔽措施
①对于通电设备中产生的电磁干扰,一般采用具有屏蔽功能的电流传输器材,一般常见的材料为双绞线,对电流的传输能够抵抗电磁感应产生的干扰,能够取得比较令人满意的效果。
②要使系统内部降低对电磁场造成不同类型的干扰,我们可以有效的分为不同的类型进行隔离。
3.2.3地线设计
在控制电路中,为防止静电损伤等意外的发生,需要进行电路接地等设计。
因此要选择适用于的地线并且有可能的提高电力系统的抗干扰能力
3.3.1数字滤波
将采集到的信号在计算之前进行预处理,将采集到的干扰数据和一些由于传输等因素而产生的不能真实反映工作状态的虚假数据进行忽略和去除,需要通过软件的方式对数据进行判断和估计,以至使减少干扰信号在系统中信号所占有的比重,这样就能够达到对真实数据的提取和获得有效控制信息,达到滤波的效果,在运行的过程中都会产生不同的噪声或者是一种刺耳不利于身心健康的声音,这种声音一般情况下都是用来被检测信号的本身或者是通过外界的各种干扰等.在现实操作的过程中要是想得到尽可能准确的数据来反映系统真实运行情况,需要采用一定的算法,使用硬件和软件资源检测出采集到数据中的干扰和错误信息,甚至能够找到干扰产生的原因和避免,解决的办法。
尤其是在对于随机干扰信号的某种特殊的处理方法上,我们可以采用经常使用的数字滤波器的方法这是一种优于各种滤波器的方法,具有很强的优势.这篇文章使用的是防脉冲干扰的平均值法的方法,用这种防脉冲干扰的平均值法的方法可以处置在现场出现的各种各样的尖脉冲现象。
四、智能执行机构的维护
4.1报警和故障
在现场中我们可以采用LCD显示的方式用于各种各种的短信,用于判断出哪里有故障甚至显示出什么故障,而且对于各种各样的报警和出现的各种故障类型并且要做出详细的解释和判断
报警的显示:
在机电一体化智能大流量执行机构的运行状态上已经达到预期的临界值时候,就会做出果断的信号用下报警信号。
一般情况下机电一体化智能大流量执行机构的运行状态一直是发出报警的状态信号,如果是这种情况那么执行机构一定会进行停止运行
故障的意义:
由于干扰,复杂环境的影响,长时间工作状态在系统的不健全因素,个人经验和操作失误等原因而产生设备和生产出现非正常状态或者不能正常工作。
表4-1菜单故障显示文本
表4-2菜单报警显示文本
4.2日常维护、保养、校准
(1)在外观目测的检查:
执行机构在运行一定时间,可能会造成很多的灰尘,有可能会有污渍,这样就会造成设备的散热相当不好,在工程中我们一定要及时清理设备要对其进行清理。
(2)系统运行中需要维护与及时的保养:
执行机构设备在长期运行时候各种设施都有可能会造成螺丝的松动或者是损坏,现场中如果不能经常清除对执行机构的影响可能会出现各种各样的安全事故和安全隐患,在现实操作中我们要经常定期的清除与检测,那么这样就可以排除那么我们可以根据实际的情况排除我们存在的问题
结论
大功率,超负荷电机控制智能系统的研究是工业生产和控制领域中大量研究的热点问题。
大量的文献资料展现出了令人振奋的成果,促使后来的人继续研究。
对控制系统和执行电路的运行和维护问题中,首先需要找出可能出现的问题和导致故障出现的原因,判断控制系统中依然存在的问题。
并对操作人员进行报警和提醒,在系统中做好记录,供技术人员进行研究提供资料,并且写出了相对解决的方法。
但是要注意的是如果出现报警或者是故障的时候,施工人员一定要注意全面分析系统产生故障的原因,对原因进行研究,找到解决办法,并进行分类归纳,做好研究记录,作为资料存档。
为以后系统的维护和操作做好指导工作,促进生产和研究的持续良性发展。
我国目前最新一代适合现场总线的机电一体化智能大流量设备,是电机设备生产和工作的主流设备和发展趋势,这项工作的成功研究与实际应用给电动执行器的进一步发展打下良好基础,并将给智能电动执行器带来广阔的市场发展前景。
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