机电一体化智能大流量电动执行机构的设计.docx
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机电一体化智能大流量电动执行机构的设计
Documentserialnumber【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】
机电一体化智能大流量电动执行机构的设计
毕业设计（论文）
（说明书）
题目：
机电一体化智能大流量
电动执行机构的设计
姓名：
石星雨
编号：
平顶山工业职业技术学院
2012年5月20日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
姓名石星雨
专业机电一体化
任务下达日期2012年2月20日
设计（论文）开始日期2012年2月26日
设计（论文）完成日期2012年5月20日
设计（论文）题目：
机电一体化智能大流量电动执行机构的设计
A．编制设计
B．设计专题（毕业论文）
指导教师孔令雪
系（部）主任
年月日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
电力工程系机电一体化专业，学生2012于年月日
进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目：
机电一体化智能大流量电动执行机构的设计
专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。
答辩委员会人，出席人
答辩委员会主任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员会委员：
，，，
，，，
平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语
第页
共页
学生姓名：
专业年级
毕业设计（论文）题目：
评阅人：
指导教师：
（签字）年月日
成绩：
系（科）主任：
（签字）年月日
毕业设计（论文）及答辩评语：
机电一体化智能大流量电动执行机构的设计
摘要
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。
采用单片机应用技术、变频技术，通过内置变频器，采用模糊神经网络控制算法，实现了阀门的动作速度、精确定位、阀门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块、机械传动装置和复杂、昂贵的控制柜和配电柜，具有动作快、保护完善以及便于和机通讯等优点。
实际运行表明，该执行机构工作稳定，性能可靠。
关键词：
电动执行机构、阀门、位置控制、变频技术、
Abstract
Thepresentpaperpresentsanewtypeofelectricactuators,thedesignofdetailedintroduceseachfunctorselectionanddesign,thevalvepositionandspeedcontrolprincipleandallkeythesolutiontotheproblem.Theauthordesignoflargedischargeandelectricactuators,adopttheelectromechanicalintegrationtechnology,valve,servomotor,controllerxed,useasynchronousmotordrivendirectlyvalveopeningandclosing.USESthemonolithicapplicationtechnology,frequencyconversiontechnology,throughthebuilt-ininverter,thefuzzyneuralnetworkcontrolalgorithm,realizethevalvemovementspeed,accuratepositioning,flexibleswitchvalveandmotortorquecontrol,etc.Theelectricactuatorsareusedtocontrolmotorisomitted,thereversalofthecontactorandsiliconcontrolleddirectionalcontrolswitchmodule,mechanicaltransmissiondeviceandcomplicatedorcostlycabinetanddistributioncabinets,havefast,protectioniscomparativelyperfect,facilitateandcomputernetworking,etc.Practicalapplicationshowsthattheactuatorsworkstable,reliableperformance.
Keywords：
Electricactuators、valves、positioncontrol、frequencyconversiontechnology
第一章电动执行机构的硬件设计及工作原理
电动执行机构控制系统原理。
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。
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。
控制系统各功能元件的选型与设计。
单片机
MCS-51把的都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，更高，运行速度更块。
由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达，加强，工作亦相对稳定。
因此，在工业测控系统中，使用是最理想的选择。
单片机属于典型的，所以它是低端控制系统最佳器件。
MCS-51的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其书籍和开发软件随处可取，只需配备一台PC（——对的配置基本上无要求），一台仿真即可实现产品开发，早期的开发软件多使用DOS版本，随着Windows视窗软件的普及，现在几乎都使用Windows版本，并且软件种类繁多，琳琅满目，在众多的单片机品种中，C51的环境资源是最丰富的，这给C51用户带来极大的便利。
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。
MCS-518031单片机内部结构及特点
图为INTERMCS-518031单片机内部结构图
1、中央处理单元（8位）:
数据处理、测试位，置位，复位,位操作;
2、只读存储器（4KB或8KB）:
永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM;
3、随机存取内存（128B、128BSFR）:
在程序运行时存储工作变量和资料;
4、并行输入/输出口（I/O）（32条）:
作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片;
5、串行输入/输出口（2条）:
串行通信、扩展I/O接口芯片;
6、定时/计数器（16位、加1计数）:
计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，
与CPU之间独立工作;
7、时钟电路:
内振、外振;
8、中断系统:
五源中断、2级优先。
结构特点：
MCS-51系列单片机为哈佛结构（而非普林斯顿结构）
1、内ROM：
4KB
2、内RAM：
128B
3、外ROM：
64KB
4、外RAM：
64KB
5、I/O线：
32根（4埠，每埠8根）
6、定时/计数器：
2个16位可编程定时/计数器
7、串行口：
全双工，2根
8、寄存器区：
工作寄存器区、在内128BRAM中，分4个区，
9、中断源：
5源中断，2级优先
10、堆栈：
最深128B
11、布尔处理机：
位处理机，某位单独处理
12、指令系统：
五大类，111条。
单片机外部引脚
MCS-518031单片
图为INTERMCS-518031单片机外部引脚结构图
1、主电源引脚：
Vss、Vcc。
2、外接晶振引脚：
XTAL1、XTAL2。
3、控制或复位引脚：
RST/VPD两个机器周期高电平，单片机复位。
P0-P3口：
输出高电平
SP：
07H
SFR、PC：
清0不影响内RAM状态，机器从0地址开始执行。
ALE/PROG：
地址锁存控制端提供1/6fosc振荡频率，输入编程脉冲EPROM
PSEN：
外部程序内存的读选通信号端。
EA/VPP：
EA=1，访问内部程序内存当
PC值超过内ROM范围（0FFFH）时，自动转执行外部内存的程序EA=0，只访问
外部程序内存。
对8751机，可施加21V编程电源（Vpp）
4、输入/输出引脚：
P0-P3：
四个I/O口，每口8线，共同32线。
三相PWM波发生器
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
ＳＡ８２８２的功能特点:
ＰＷＭ控制技术是通过控制电路按一定来控制开关管的通断,以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形并使其逼近正弦电压波形。
其有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比较复杂,且有温漂现象，会精度,降低系统的性能。
数字方法则是按照不同的数字模型用机算出各切换点并将其存入内存,然后通过查表及必要的计算生成ＰＷＭ波，因此数字方法受内存影响较大,且与系统精度之间存在着矛盾。
ＳＡ８２８２是英国ＭＩＴＥＬ公司生产的全数字化三相ＰＷＭ发生器，它频率范围宽、精度高，并可与微处理器进行接口,同时能够完成外围控制功能,因而可实现智能化。
ＳＡ８２８２中的每相输出控制电路均由脉冲取消和脉冲延时电路构成。
脉冲取消电路用于去掉脉冲宽度小于取消时间的脉冲，以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。
延时电路可保证死区间隔，其作用是在改变任一相中两个开关器件的状态时提供一个较短的延迟时间，以使这段时间里的两个开关都处于关状态，从而防止在转换瞬间桥臂开关元件出现共通（两个开关在状态转换期间造成直通短路）现象。
在软件的主程序中ＳＡ８２８２初始化命令和控制命令的参数计算及设置主要用来确定频率调节范围、死区时间、输出电压幅值和中心频率等。
软启动决定着系统开机时输出电压由低逐渐升高的缓变过程。
电压、频率调整主要是将Ａ／Ｄ转换的数据经计算处理后去控制ＳＡ８２８２输出的电压和频率。
过载保护程序的作用是在外接负载达到额定负载的１２０％时,能使系统在延时一段时间后关闭ＳＡ８２８２，以达到关断ＩＧＢＴ输出的目的。
短路保护程序可在外接负载大于额定负载２００％时,立即关闭系统。
由于本电路采用ＭＣＳ－５１单片机及三相ＰＷＭ集成电路ＳＡ８２８２来进行设计,因而其控制电路大为简化,器件减少，结构紧凑，同时也进一步降低了成本,提高了可靠性。
智能逆变模块IPM
IPM（IntelligentPowerModule）,即智能功率模块，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。
而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。
它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。
即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。
IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。
IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。
智能逆变模块IPM的用途
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。
智能功率模块（IntelligentPowerModule,IPM）以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小等优点在电力电子领域得到越来越广泛的应用。
以PM200DSA060型IPM为例。
介绍IPM应用电路设计和在单相逆变器中的应用。
IPM的结构
IPM由高速、低功率IGWT、优选的门级驱动器及保护电路构成。
其中,IGBT是GTR和MOSFET的复合,由MOSFET驱动GTR,因而IPM具有GTR高电流密度、低饱和电压、高耐压、MOSFET高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
根据内部功率电路配置情况,IPM有多种类型,如PM200DSA060型：
IPM为D型（内部集成2个IGBT）．其内部功能框图如图1-3所示,内部结构如图1-4所示。
内有驱动和保护电路,保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护,当其中任一种保护功能动作时。
IPM将输出故障信号FO。
图IPM的内部功能框图
图IPM的内部结构
IPM内部电路不含防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路。
为了保证IPM安全可靠。
需要自己设计部分外围电路。
IPM的外部驱动电路设计
IPM的外部驱动电路是IPM内部电路和控制电路之间的接口,良好的外部驱动电路对以IPM构成的系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。
由IPM内部结构图可见．器件本身含有驱动电路．所以只要提供满足驱动功率要求的PWM信号、驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。
但是．IPM对驱动电路输出电压的要求很严格：
驱动电压范围为13．5V~16．5V．电压低于13．5V将发生欠压保护．电压高于16．5V可能损坏内部部件;驱动信号频率为5Hz-20kHz,且需采用电气隔离装置。
防止干扰：
驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的2倍（2Vces）;驱动电流达19mA一26mA;驱动电路输出端的滤波电容不能太大．这是因为当寄生电容超过100pF时。
噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。
图所示是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。
来自控制电路的PWM信号经R1限流．再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作,FO信号也经过光耦隔离输出。
其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。
15V电源,且接1只10μF的退耦电容器（图中未画出）以滤去共模噪声。
Rl根据控制电路的输出电流选取．如用DSP产生PWM．则R1的阻值可为330Ω。
R2根据IPM驱动电流选值,一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声．另一方面又要足够可靠地控制IPM。
可在2kΩ~6．8kΩ内选取。
C1为2端与地间的O．1μF滤波电容器,PWM隔离光耦的要求是tPLH10kV／μs,可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型（NEC）等高速光耦,且在光耦输入端接1只O．1μ的退耦电容器（图中未画出）。
FO输出光耦可用低速光耦（如PC817）。
IPM的内部引脚功能如表1所示。
图IPM的外部驱动电路和引脚连接示意图
图的外部接口电路直接固定在PCB上且靠近模块输入脚．以减少噪声和干扰．PCB上布线的距离应适当,避免开关时干扰引起的电位变化。
另外,考虑到强电可能造成外部驱动电路到IPM引线的干扰,可以在引脚1~4间,3-4间,4-5间根据干扰大小加滤波电容器。
IPM的保护电路设计
由于，IPM本身提供的保护电路不具备自保护功能．所以要通过外围硬件或软件的辅助电路将内部提供的：
FO信号转换为封锁IPM的控制信号．关断IPM,实现保护。
1.硬件
IPM有故障时,FO输出低电平,通过高速光耦到达硬件电路,关断PWM输出,从而达到保护IPM的目的。
具体硬件连接方式如下：
在PWM接口电路前置带控制端的3态收发器（如74HC245）。
PWM信号经过3态收发器后送至IPM接口电路．IPM的故障输出信号FO经光耦隔离输出送入与非门。
再送到3态收发器使能端OE。
IPM正常工作时．与非门输出为低电平。
3态收发器选通;IPM有故障时。
与非门输出为高电平。
3态收发器所有输出置为高阻态。
封锁各个IPM的控制信号．关断IPM．实现保护。
2.软件
IPM有故障时．FO输出低电平,FO信号通过高速光耦送到控制器进行处理。
处理器确认后。
利用中断或软件关断IPM的PWM控制信号．从而达到保护目的。
如在基于DSP控制的系统中．利用事件管理器中功率驱动保护引脚（PDPINT）中断实现对IPM的保护。
通常1个事件管理器严生的多路PWM可控制多个IPM工作．其中每个开关管均可输出FO信号,每个开关管的FO信号通过与门．当任一开关管有故障时输出低电平,与门输出低电平．将该引脚连至PDPINT,由于PDPINT为低电平时DSP中断,所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态,从而达到保护目的。
以上2种方案均利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道．因而弥补了IPM自身保护的不足,有效地保护了器件。
IPM的缓冲电路设计
在IPM应用中,由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di／dt、dv／dt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击,易损坏器件．因此需设置缓冲电路（即吸收电路）,目的是改变器件的开关轨迹,控制各种瞬态过压,降低器件开关损耗．保护器件安全运行。
图1-6为常用的3种IPM缓冲电路。
图1-6（a）为单只无感电容器构成的缓冲电路,对瞬变电压有效且成本低,适用于小功率IPM。
图1-6（b）为RCD构成的缓冲电路,适用于较大功率IPM．缓冲二极管D可箝住瞬变电压,从而抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。
其RC时间常数应设计为开关周期的1／3,即r=T／3=1／3f。
图1-6（c）为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路,适用于大功率IPM。
功能类似于图1-6（b）所示的缓冲电路,其回路电感更小。
若同时配合使用图1-6（a）所示的缓冲电路。
还能减小缓冲二极管的应力,缓冲效果更好。
图常用的IMP缓冲电路
在图中,当IGBT关断时．负载电流经缓冲二极管向缓冲电容器充电,同时集电极电流逐渐减少,由于电容器二端的电压不能突变．所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dv／dt。
也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。
IGBT集电极母线电感、电路及其元件内部的杂散电感在IGBT开通时储存的能量,这时储存在缓冲电容器中。
当IGBT开通时,集电极母线电感以及其他杂散电感又有效地限制了IGBT集电极电流上升率di／dt．同样也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。
此时,缓冲电容器通过外接电阻器和IGBT开关放电,其储存的开关能量也随之在外接电阻器和电路、元件内部的电阻器上耗散。
如此,便将IGBT运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路．最后在相关电阻器上以热的形式耗散,从而保护IGBT安全运行。
图中的电阻值和电容值按经验数据选取：
如PM200DSA060的电容值为0．221xF-0．47xF,耐压值是IGBT的1．1倍-1．5倍,电阻值为10—20,电阻功率按P=fCU2xlO-6计算,其中f为IGBT工作频率,u为IGBT的工作峰值电压。
C为缓冲电路与电阻器串联电容。
二极管选用快恢复二极管。
为了保证缓冲电路的可靠性,可以根据功率大小选择封装好的图1-6所示的缓冲电路。
另外,由于母线电感、缓冲电路及其元件内部的杂散电感对IPM尤其是大功率IPM有极大的影响,因此愈小愈好。
要减小这些电感需从多方面人手：
直流母线要尽量地短;缓冲电路要尽可能地靠近模块;选用低电感的聚丙烯无极电容器、与IPM相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。
IPM在单相全桥逆变器中的应用
图1-7所示的单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。
逆变电路包括逆变全桥和滤波电路,其中逆变全桥完成直流到交流的变换．滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电;控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。
图单相全桥逆变电路
图中的逆变全桥由4个开关管和4个续流二极管组成,工作时开关管在高频条件下通断．开关瞬间开关管电压和电流变大,损耗大,结温升高,加上功率回路寄生电感、振荡及噪声等．极易导致开关管瞬间损坏,以往常用分立元件设计开关管的保护电路和驱动电路,导致电路庞大且不可靠。
笔者采用一对PM200DSA060双单元IPM模块分别代替图中Vl、D1、V2、D2组合和V3、D3、v4、D4组合构成全桥逆变电路,利用DSP对IPM的控制,完成了中频率20kW、230V逆变器的设计和调试,采用了如上所述的驱动电路、中的缓冲电路和基于DSP控制的软件IPM保护电路。
设计实践表明：
使用IPM可简化系统硬件电路、缩短系统开发时间、提高可靠性、缩小体积,提高保护能力。
位置检测电路
位置检测电路的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。
电压及电流检测
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。
图IPM输出电流和电压检测
IPM的主要特点：
IPM是将主开关器件、续流二极管、驱动电路、过电流保护电路、过热保护电路和短路保护电路以及驱动电源不足保护电路、接口电路等集成在同一封装内，形成的高度集成的智能功率集成电路。
它的主要特点体现在控制功能、保护功能和接口功能方面。
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