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更新時間：2014-05-05 點擊次數(shù)：4773次
一、智能變頻調速電動執(zhí)行機構的技術說明
交流三相電動機由于不存在換向片以及結構簡單、工作可靠，目前裝機容量上占有優(yōu)勢。交流電機變頻調速技術是近十年伴隨著功率半導體器件的出現(xiàn)，微電子技術，計算機技術的發(fā)展而形成的科技含量高的電機電氣傳動控制技術。它具有調速和節(jié)能兩大優(yōu)勢。它使交流電機的調速功能已*達到了直流電機調速的性能。
二、智能變頻調速電動執(zhí)行機構的概念
變頻調速電動執(zhí)行器用變頻器來控制電動執(zhí)行器工作。變頻電動執(zhí)行器由變頻器、伺服電機、減速器、位置反饋發(fā)送器構成。由于變頻器具有調速、軟起動、制動等功能，它除可以使伺服電動機工作在變頻調速狀態(tài)外，它還通過軟起動方式，降低伺服電機起動電流，減少對電網(wǎng)和本身機械結構的起動沖擊。通過電制動方式，可有效產生能耗制動，降低伺服電機惰走慣性，大大提高定位精度。
三、智能變頻調速電動執(zhí)行機構工作原理
智能執(zhí)行機構（執(zhí)行器）從結構上主要分為控制部分和執(zhí)行驅動部分。控制部分主要由單片機、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅動部分主要包括三相伺服電機和位置傳感器。
系統(tǒng)工作原理：霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，經(jīng)A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發(fā)生器，產生的PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現(xiàn)電機的變頻調速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。
控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設計：單片機選用IN公司生產的8031單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信號；處理IPM發(fā)出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執(zhí)行機構（執(zhí)行器）的工作狀態(tài)信號；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng)反饋信號。
智能逆變模塊IPM。為了滿足執(zhí)行機構（執(zhí)行器）體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機構（執(zhí)行器）主要適用功率小于5.5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為0.75。經(jīng)計算可知，選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。
時鐘電路。時鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計算時所需要的時間以及日歷。文中選用時鐘電路DS12887。DS12887內部有114字節(jié)的用戶非易失性RAM，可用來存入需長期保存的數(shù)據(jù)。液晶顯示單元。為了實現(xiàn)人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數(shù)等信號進行設置或調試。并采用文字和圖形相結合的方式，顯示直觀、清晰。程序出格自恢復電路。為了保證在強干擾下程序出格時系統(tǒng)能夠自動地恢復正常，選用MAX705組成程序出格自恢復電路，監(jiān)視程序運行。
三相PWM波發(fā)生器。PWM波的產生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，并存入內存，然后通過查表及必要的計算產生PWM波，這種方法占用的內存較大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等功能，文中選用MI公司生產的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。
位置檢測電路。位置檢測電路是執(zhí)行機構（執(zhí)行器）的重要組成部分，它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構（執(zhí)行器）中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點。
通訊接口。為了實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)和遠程控制，選用MAX232作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232內部有兩個*相同的電平轉換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉換為RS－232標準電平，把其它微機送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平給8031，實現(xiàn)單片機與其它微機間的通訊。
電壓、電流及檢測。檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為0～50Hz，采用常規(guī)的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測IPM輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。
工作原理為：一旦程序出格，WDO由高變低，由于微分電路的作用，由“與非”門輸入引腳2變?yōu)楦唠娖剑_2電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈沖，使單片機產生一次復位，復位結束后，又由程序通過P1.0口向MAX705的WDI引腳發(fā)正脈沖，使WDO引腳回到高電平，程序出格自恢復電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。
四、智能變頻調速電動執(zhí)行機構如何實現(xiàn)動態(tài)變速運行
變頻電動執(zhí)行器、變頻電動閥實現(xiàn)動態(tài)程序預定變速運行，是在變頻電動執(zhí)行器內有兩組變速開關，變速開關信號作為變頻器的變速控制信號。兩組變速開關可在全行程范圍內任意設定變速開關工作點。例如，要求變頻蝶閥在0~900工作過程，每300變化一種速度。調整變速反饋板使*組變速開關在300變位，第二組變速開關在600變位。在變頻器內設定三種速度。0~300為*檔慢速運行，300~600為第二檔速度快速運行，600~900為第三檔速度為慢速運行。每一檔運行速度都可以任意設定。這樣變頻蝶閥在工作時，就會按設定的速度分三檔進行工作。這種變速運行方式大多是用變頻電動執(zhí)行器作為遙控風門、閥門等場合。
交流三相電動機由于不存在換向片以及結構簡單、工作可靠，目前裝機容量上占有優(yōu)勢。交流電機變頻調速技術是近十年伴隨著功率半導體器件的出現(xiàn)，微電子技術，計算機技術的發(fā)展而形成的科技含量高的電機電氣傳動控制技術。它具有調速和節(jié)能兩大優(yōu)勢。它使交流電機的調速功能已*達到了直流電機調速的性能。
二、智能變頻調速電動執(zhí)行機構的概念
變頻調速電動執(zhí)行器用變頻器來控制電動執(zhí)行器工作。變頻電動執(zhí)行器由變頻器、伺服電機、減速器、位置反饋發(fā)送器構成。由于變頻器具有調速、軟起動、制動等功能，它除可以使伺服電動機工作在變頻調速狀態(tài)外，它還通過軟起動方式，降低伺服電機起動電流，減少對電網(wǎng)和本身機械結構的起動沖擊。通過電制動方式，可有效產生能耗制動，降低伺服電機惰走慣性，大大提高定位精度。
三、智能變頻調速電動執(zhí)行機構工作原理
智能執(zhí)行機構（執(zhí)行器）從結構上主要分為控制部分和執(zhí)行驅動部分。控制部分主要由單片機、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅動部分主要包括三相伺服電機和位置傳感器。
系統(tǒng)工作原理：霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器檢測到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，經(jīng)A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發(fā)生器，產生的PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現(xiàn)電機的變頻調速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。
控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設計：單片機選用IN公司生產的8031單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統(tǒng)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信號；處理IPM發(fā)出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執(zhí)行機構（執(zhí)行器）的工作狀態(tài)信號；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng)反饋信號。
智能逆變模塊IPM。為了滿足執(zhí)行機構（執(zhí)行器）體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執(zhí)行機構（執(zhí)行器）主要適用功率小于5.5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為0.75。經(jīng)計算可知，選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。
時鐘電路。時鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計算時所需要的時間以及日歷。文中選用時鐘電路DS12887。DS12887內部有114字節(jié)的用戶非易失性RAM，可用來存入需長期保存的數(shù)據(jù)。液晶顯示單元。為了實現(xiàn)人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態(tài)顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數(shù)等信號進行設置或調試。并采用文字和圖形相結合的方式，顯示直觀、清晰。程序出格自恢復電路。為了保證在強干擾下程序出格時系統(tǒng)能夠自動地恢復正常，選用MAX705組成程序出格自恢復電路，監(jiān)視程序運行。
三相PWM波發(fā)生器。PWM波的產生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現(xiàn)象，精度低，限制了系統(tǒng)的性能；數(shù)字法是按照不同的數(shù)字模型用計算機算出各切換點，并存入內存，然后通過查表及必要的計算產生PWM波，這種方法占用的內存較大，不能保證系統(tǒng)的精度。為了滿足智能功率模塊所需要的PWM波控制信號，保證微處理器有足夠的時間進行整個系統(tǒng)的檢測、保護、控制等功能，文中選用MI公司生產的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是大規(guī)模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。
位置檢測電路。位置檢測電路是執(zhí)行機構（執(zhí)行器）的重要組成部分，它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構（執(zhí)行器）中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區(qū)太短和溫度特性不理想而受到限制。導電塑料電位器目前較為流行，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，精度也不高。筆者采用的位置傳感器為脈沖數(shù)字式傳感器，這種傳感器是無觸點的，且具有精度高、無線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無溫度限制等特點。
通訊接口。為了實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)和遠程控制，選用MAX232作為系統(tǒng)的串行通訊接口，MAX232內部有兩個*相同的電平轉換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉換為RS－232標準電平，把其它微機送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平給8031，實現(xiàn)單片機與其它微機間的通訊。
電壓、電流及檢測。檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為0～50Hz，采用常規(guī)的電流、電壓互感器無法滿足要求。為了快速反映出電流的大小，采用霍爾型電流互感器檢測IPM輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。
工作原理為：一旦程序出格，WDO由高變低，由于微分電路的作用，由“與非”門輸入引腳2變?yōu)楦唠娖剑_2電平的這種變化使“與非”門輸出一個正脈沖，使單片機產生一次復位，復位結束后，又由程序通過P1.0口向MAX705的WDI引腳發(fā)正脈沖，使WDO引腳回到高電平，程序出格自恢復電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。
四、智能變頻調速電動執(zhí)行機構如何實現(xiàn)動態(tài)變速運行
變頻電動執(zhí)行器、變頻電動閥實現(xiàn)動態(tài)程序預定變速運行，是在變頻電動執(zhí)行器內有兩組變速開關，變速開關信號作為變頻器的變速控制信號。兩組變速開關可在全行程范圍內任意設定變速開關工作點。例如，要求變頻蝶閥在0~900工作過程，每300變化一種速度。調整變速反饋板使*組變速開關在300變位，第二組變速開關在600變位。在變頻器內設定三種速度。0~300為*檔慢速運行，300~600為第二檔速度快速運行，600~900為第三檔速度為慢速運行。每一檔運行速度都可以任意設定。這樣變頻蝶閥在工作時，就會按設定的速度分三檔進行工作。這種變速運行方式大多是用變頻電動執(zhí)行器作為遙控風門、閥門等場合。
