【正文】 摘要 提出一種新型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了該執(zhí)行機(jī)構(gòu)各功能元件的選型與設(shè)計(jì)、閥位及速度控制原理以及各種關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)將閥門、伺服 電機(jī) 制器合為一體，采用 8031 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了閥門的動(dòng)作速度和位置控制，解決了閥門的精確定位、閥門柔性開(kāi)關(guān)、極限位置判斷、 電機(jī) 模擬信號(hào)隔離等技術(shù)問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況表明，該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有動(dòng)作快、保護(hù)完善以及便于和 計(jì)算 機(jī)通訊等優(yōu) 點(diǎn)。 在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程控制中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)起著十 分重要的作用，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分?，F(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在著控制手段落后、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位精度低、可靠性差等問(wèn)題。而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全程運(yùn)行速度取決于其電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速和其內(nèi)部減速齒輪的減速比，一旦出廠，這一速度固定不可調(diào)整，其通用性較弱。整個(gè)機(jī)構(gòu)缺乏完善的保護(hù)和故障診斷措施以及必要的通信手段，系統(tǒng)的安全性較差，不便與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。鑒于以上原因，采用傳統(tǒng)的大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，可靠性和穩(wěn)定性較差。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。筆者設(shè)計(jì)的大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用機(jī)電一體化技術(shù)，將閥門、伺 腹點(diǎn) 機(jī)、控制器合為一體，利用異步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閥門的開(kāi)與關(guān)。通過(guò)內(nèi)置變頻器，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)閥門的動(dòng)作速度、精確定位、柔性開(kāi)關(guān)以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩等控制。該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)省去了用于控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的接觸器和可控硅換向開(kāi)關(guān)模件、機(jī)械傳動(dòng)裝置和復(fù)雜、昂貴的控制柜和配電柜，具有動(dòng)作快、保護(hù)較完善、便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行表明，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定，性能可靠。 關(guān)鍵詞 ： 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門、位置控制 泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2 目錄 第一章 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理 ................................................... 3 第三節(jié) 智能逆變模塊 IPM .................................................................................. 6 第四節(jié) 位置檢測(cè)電路 ........................................................................................ 11 第五節(jié) 電壓及電流檢測(cè) ................................................................................... 12 第六節(jié) 通訊接口 ............................................................................................... 13 第七節(jié) 時(shí)鐘電路 ............................................................................................... 15 第八節(jié) 液晶顯示單元 ....................................................................................... 18 第九節(jié) 程序出格自恢復(fù)電路 ........................................................................... 18 第二章 閥位及速度控制原理 ............................................................................... 19 第三章 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決 ............................................................................... 21 第一節(jié) 閥門柔性開(kāi)關(guān) ....................................................................................... 21 第二節(jié) 電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn) ................................................................................... 22 第三節(jié) 準(zhǔn)確定位 ............................................................................................... 23 第四節(jié) 模擬信號(hào)的隔離 ................................................................................... 24 結(jié)束語(yǔ) ..................................................................................................................... 25 謝 辭 ..................................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) ........................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3 第一章 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)原理。智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分。 控制部分主要由單片機(jī)、 PWM 波發(fā)生器、 IPM 逆變器、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換模塊、 整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測(cè)和報(bào)警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分主要包括三相伺報(bào)電機(jī)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(cè)到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò) 8255 控制 PWM 波發(fā)生器，產(chǎn)生的 PWM波經(jīng)光電耦合作用于逆變模塊 IPM，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工作時(shí)所需要的直流電壓信號(hào)由整流電路對(duì) 380V電源進(jìn)行全橋整流得到。 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設(shè)計(jì) 。 第一節(jié) 單片機(jī) 選用 INTEL 公司生產(chǎn)的 8031 單片 機(jī)，它主要通過(guò)并行 8255 口擔(dān)負(fù)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理：接收系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩、閥門開(kāi)啟、關(guān)閉及閥門開(kāi)度等設(shè)定信號(hào)，并提供三相 PWM 波發(fā)生器所需要的控制信號(hào)；處理 IPM 發(fā)出的故障信號(hào)和報(bào)警信號(hào)；處理通過(guò)模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測(cè)信號(hào)；提供顯示電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)信號(hào)；執(zhí)行控制系統(tǒng)來(lái)的控制信號(hào)，向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)； MCS518031 單片機(jī)簡(jiǎn)介 : 8031 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 及特點(diǎn) 圖 11為 INTER MCS51 8031 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ① 中央處理單元（ 8位） :數(shù)據(jù)處理、測(cè)試位，置位，復(fù)位 ,位操作 。 ② 只讀存儲(chǔ)器（ 4KB 或 8KB） :永久性存儲(chǔ)應(yīng)用程序，掩模 ROM、 EPROM、 EEPROM。 泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 4 ③ 隨機(jī)存取內(nèi)存（ 128B、 128B SFR） :在程序運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)工作變量和資料 。 ④ 并行輸入 /輸出口（ I / O）（ 32 條） :作系統(tǒng)總線、擴(kuò)展外存、 I / O 接口芯片 。 ⑤ 串行輸入 /輸出口（ 2 條） :串行通信、擴(kuò)展 I / O 接口芯片 。 ⑥ 定時(shí) /計(jì)數(shù)器（ 16 位、加 1 計(jì)數(shù)） :計(jì)滿溢出、中斷標(biāo)志置位、向 CPU 提出中斷請(qǐng)求，與 CPU 之間獨(dú)立工作 。 ⑦ 時(shí)鐘電路 :內(nèi)振、外振 。 ⑧ 中斷系統(tǒng) :五源中斷、 2級(jí)優(yōu)先。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： MCS51 系列單片機(jī)為哈 佛結(jié)構(gòu)（而非普林斯頓結(jié)構(gòu)） 1）內(nèi) ROM： 4KB 2）內(nèi) RAM： 128B 3）外 ROM： 64KB 4）外 RAM： 64KB 5） I / O 線： 32 根（ 4埠，每埠 8 根） 6）定時(shí) /計(jì)數(shù)器： 2個(gè) 16位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 7）串行口：全雙工， 2 根 8）寄存器區(qū)：工作寄存器區(qū)、在內(nèi) 128B RAM 中，分 4 個(gè)區(qū)， 9）中斷源： 5 源中斷， 2級(jí)優(yōu)先 10）堆棧：最深 128B 11）布爾處理機(jī)：位處理機(jī)，某位單獨(dú)處理 12）指令系統(tǒng)：五大類， 111 條 。 MCS58031 單片 2 單片機(jī)外部引腳 圖 12 2 為 INTER MCS51 8031 單片 機(jī)外部引腳結(jié)構(gòu)圖 1)、主電源引腳 ： Vss、 Vcc。 泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 5 2)、外接晶振引腳 ： XTAL1 、 XTAL2。 3)、控制或復(fù)位引腳 ： RST / VPD 兩個(gè)機(jī)器周期高電平，單片機(jī)復(fù)位。 P0P3 口：輸出高電平 SP ： 07H SFR、 PC： 清 0不影響內(nèi) RAM 狀態(tài)，機(jī)器從 0 地址開(kāi)始執(zhí)行。 ALE / PROG ：地址鎖存控制端提供 1/6 fosc 振蕩頻率，輸入編程脈沖 EPROM PSEN：外部程序內(nèi)存的讀選通信號(hào)端。 EA / VPP： EA = 1 ，訪問(wèn)內(nèi)部程序內(nèi)存當(dāng) PC 值超過(guò)內(nèi) ROM 范圍（ 0FFFH） 時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)執(zhí)行外部?jī)?nèi)存的程序 EA = 0 ， 只訪問(wèn)外部程序內(nèi)存。對(duì) 8751 機(jī)，可施加 21V 編程電源（ Vpp） 4)、輸入 /輸出引腳 ： P0P3：四個(gè) I / O 口，每口 8線，共同 32 線 。 第二節(jié) 相 PWM 波發(fā)生器 三相 PWM 波發(fā)生器 PWM 波的產(chǎn)生通常有模擬和數(shù)字兩種方法。模擬法