图:电动执行器(本站资料图)
在现代化生产过程控制中,执行机构是自动控制系统不可缺少的组成部分。现有国产大流量电动执行机构存在控制手段落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题;且全程运行速度取决于电机输出轴转速与减速比,出厂后固定不可调,通用性较弱。本文分析一种机电一体化智能型大流量电动执行机构的设计。
一、硬件设计及工作原理
智能执行机构从结构上分为控制部分和执行驱动部分:控制部分由单片机、PWM 波发生器、IPM 逆变器、A/D 与 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;执行驱动部分包括三相伺服电机和位置传感器。
工作原理:霍尔电流/电压传感器及位置传感器检测逆变模块三相输出电流、电压及调节阀位置信号,经 A/D 转换送入单片机;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,实现电机变频调速与阀位控制;逆变模块所需的直流电压由整流电路对 380V 电源全桥整流得到。
二、控制系统各功能元件的选型与设计
· 单片机:选用 INTEL 8031,通过并行 8255 口担负系统信号处理——接收转矩、阀门启闭及开度等设定信号并提供三相 PWM 波发生器控制信号,处理 IPM 故障/报警信号,处理电流、电压、位置检测信号,提供工作状态显示与系统反馈;
· 三相 PWM 波发生器:模拟法电路复杂、有温漂、精度低;纯数字查表法占用内存大。选用 MITEL SA8282 专用大规模集成电路,内含波形、频率、幅值控制信息,具有独立的标准微处理器接口;
· 智能逆变模块 IPM:适用功率小于 5.5kW 的三相异步电机(额定 380V、功率因数 0.75),选用 PM50RSA120——集功率开关、驱动与制动电路于一体,内置过流、短路、欠压、过热保护及报警输出;
· 位置检测:绕线电位器寿命短已淘汰;差动变压器线性区太短、温度特性不理想;导电塑料电位器有触点、寿命与精度有限。本文采用脉冲数字式位置传感器——无触点、精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制;
· 电压电流检测:变频器输出频率 0~50Hz,常规互感器无法满足;采用霍尔型电流互感器检测 IPM 三相输出电流,输出电压采用分压电路检测,用于力矩计算、短路断相保护及逆变模块故障诊断;
· 通讯接口:MAX232 实现 TTL 与 RS-232 电平转换,支持计算机联网与远程控制;
· 时钟电路:DS12887 提供采样/控制周期与日历,内部 114 字节非易失 RAM 存储长期数据;
· 液晶显示:MGLS12832 液晶模块,组态显示方式,通过菜单对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置调试,文字图形结合、直观清晰;
· 程序出格自恢复:MAX705 监视程序运行——程序出格时 WDO 由高变低,经"与非"门产生正脉冲使单片机复位;复位后程序通过 P1.0 向 WDI 发正脉冲使 WDO 回高,继续监视。
三、关键技术问题的解决
该执行机构采用变频调速技术,电机驱动功率小于 5.5kW,速度分多转式、直行程、角行程 3 种方式,由阀位给定与阀位反馈构成闭环,具备过流、过载、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护。
· 阀门柔性开关:微处理器根据变频器输出电压电流精确计算输出力矩,一旦达到或超过设定力矩,自动降低速度,避免阀门内部过度撞击,实现最优关闭与过力矩保护;
· 阀位极限位置判断:不再用易松动、精度低的机械限位开关,而通过检测位置信号增量判断——本次与上次位置相比未变化或变化极小即认为达到极限,立即切断电机供电,省去调试复杂的机械限位;
· 电机保护:内置温度传感器连续检测电机温度,过热自动断电;
· 准确定位:传统执行机构断电后因机械惯性出现超程,需反向转动校正;本设计根据当前位置与给定差值及运行速度超前确定减速点位置与减速速率,使阀门在低速下精确微调定位,把超程降到最低;
· 模拟信号隔离:变频器直流母线与三相输出之间存在较高共模电压,采用 LM358 与 4N25 组成隔离线性放大电路保证安全。
四、结论
该执行机构集微机技术与执行器技术于一体:同一台智能执行机构可在一定范围内具有不同的运行速度和关断力矩;液晶显示开关状态、开度、参数设定与故障信息;集测量、决断、执行三种功能于一体,顺应了电动执行机构的发展趋势,为产品研发提供了新思路。
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