【文章內(nèi)容簡介】 算產(chǎn)生 PWM 波，這種方法占用的內(nèi)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 MITEL 公司生產(chǎn)的 SA8282 作為三相PWM 發(fā)生器。 SA8282 是專用大規(guī)模集成電路，具有獨立的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口，芯片內(nèi)部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。 3)智能逆變模塊 IPM 為了滿足執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(chǎn)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(guān)和驅(qū)動電路、制動電路 13 于一體，并內(nèi)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(guān)器件。 4)位置檢測電路 位置檢測電路是執(zhí)行機構(gòu)的重要組成部分，它的功能是提供準(zhǔn)確的位置信號。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)中多采用繞線電位器、差動變壓器、導(dǎo)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(dǎo)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。 5)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。如圖 22 所示。 14 6)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(nèi)部有兩個完全相同的電平轉(zhuǎn)換電路，可以把 8031串行口輸出的 TTL電平轉(zhuǎn)換為 RS－ 232標(biāo)準(zhǔn)電平，把其它微機送來的 RS－ 232 標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換成 TTL 電平給 8031，實現(xiàn)單片機與其它微機間的通訊。 7)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(nèi)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)。 8)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(shè)置或調(diào)試。并采用文字和圖形相結(jié)合的方式，顯示直觀、清晰。 9)程序出格自恢復(fù)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(fù)正常，選用 MAX705 組成程序出格自恢復(fù)電路，監(jiān)視程序運行。如圖 23 所示，該電路由 MAX70與非門及微分電路組成。 15 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(chǎn)生一次復(fù)位，復(fù)位結(jié)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(fù)電路繼續(xù)監(jiān)視程序運行。 第 3 章 機電一體化中閥位及速度控制原理 閥位及速度控制原理框圖如圖 31 所示。 采用雙環(huán)控制方案，其中內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)主要將當(dāng)前速度與速度給定發(fā)生器送來的設(shè)定速度相比較，通過速度調(diào)節(jié)器改變 PWM 波發(fā)生器載波頻率，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法 (具體內(nèi)容另文敘述 )。 外環(huán)主要根據(jù)當(dāng)前位置速度的設(shè)定，通過速度給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán)提供速度的設(shè)定值。由于大流量閥執(zhí)行機構(gòu)在運行過程中存在加 16 速、勻速、減速等階段。各階段的時間長短、加速度的大小、在何位置開始勻速或減速均與給定位置、當(dāng)前位置以及運行速度有關(guān)。速度給定發(fā)生器的工作原理為：通過比較實際閥位與給定閥位，當(dāng)二者不相等時，以恒定加速度加速，減速點根據(jù)當(dāng)前速度、閥位值、閥位給定值的大小計算得來。 執(zhí)行機構(gòu)各階段運行速度的計算原理 圖 32 為執(zhí)行機構(gòu)的典型運行速度圖，它由若干段變化速率不同的折線組成。將曲線上速率開始發(fā)生改變的那一點稱為起始段點，相應(yīng)的時間稱為段起始時間，如圖 32 中的 t(i)(i＝ 0， 1，2， ??) ，相應(yīng)的速度稱為段起始速度，如圖 32 所示 vi)(i＝ 0，1， 2， ?) 。 設(shè)第 i 段速度的變化速率為 ki，則有： 式中： Δv 為兩段點之間的速度變化值， Δv ＝ vi＋ 1－ vi； Δt 為兩段之間的時間， Δt ＝ ti＋ 1－ ti。 17 顯然，當(dāng) ki＝ 0 時為恒速段， ki＞ 0 時為升速段， ki＜ 0 時為減速段。任意時刻的速度給定值為 ： Ts 為采樣周期。 變化速率 ki 的取值由給定位置、當(dāng)前位置以及運行速度的大小確定。 第 4 章 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決 該電動執(zhí)行機構(gòu)采用了最新的變頻調(diào)速技術(shù)，電機驅(qū)動功率小于5． 5kW。用戶可根據(jù)需要設(shè)定力矩特性，根據(jù)控制的閥設(shè)定速度，速度分多轉(zhuǎn)式、直行程、角行程 3 種方式。控制系統(tǒng)由閥位給定和閥位反饋信號構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運行方式、速度而定，并具有自動過流保護、過載保護、超壓、欠壓、過熱、缺相、堵轉(zhuǎn)等保護功能。 該執(zhí)行機構(gòu)解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要有： 1)閥門柔性開關(guān) 柔性開關(guān)主要是為 了當(dāng)閥關(guān)閉或全開時，保證閥門不卡死與損傷。執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)部的微處理器根據(jù)測得的變頻器輸出電壓和電流，通過精確計算，得出其輸出力矩。一旦輸出力矩達到或大于設(shè)定的力矩，自動降低速度，以避免閥門內(nèi)部過度的撞擊，從而達到最優(yōu)關(guān)閉，實現(xiàn)過力矩保護。 18 2)閥位的極限位置判斷 閥位的極限位置是指全開和全關(guān)位置。在傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)中，該位置的檢測是通過機械式限位開關(guān)獲得的。機械式限位開關(guān)精度低，在運行中易松動，可靠性差。在文中，電動執(zhí)行機構(gòu)極限位置通過檢測位置信號的增量獲得。其原理是，單片機將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號 相比較，如果未發(fā)生變化或變化較小，即認為己達到極限位置，立即切斷異步電機的供電電源，保證閥門的安全關(guān)閉或全開。省去了機械式限位開關(guān)，無需在調(diào)試時對其進行復(fù)雜的調(diào)整。 3)電機保護的實現(xiàn) 為了防止電機因過熱而燒毀，單片機通過溫度傳感器連續(xù)檢測電機的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機溫度過高，自動切斷供電電源。溫度傳感器內(nèi)置于電機內(nèi)部。 4)準(zhǔn)確定位 傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機構(gòu)在異步電機通電后會很快達到其額定動作速度，當(dāng)接近停止位置時，電機斷電后，由于機械慣性，其閥門不可能立即停下來，會出現(xiàn)不同程度的超程， 這一超程通常采用控制電機反向轉(zhuǎn)動來校正。機電一體化的大流量電動執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)當(dāng)前位置與給定位置的差值以及運行速度的大小超前確定減速點的位置及減速段變化速率 ki，使閥門在較低的速度下實現(xiàn)精確的微調(diào)和定位，從而將超程降到最低。 5)模擬信號的隔離。 對于變頻器的直流電壓以及輸出的三相電壓，它們之間的地址不一致，存在著較高的共模電壓，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須將 19 它們彼此相互隔離。采用 LM358和 4N25組成了隔離線性放大電路。如圖 41 所示，采用 177。15V 和 177。12V 兩組獨立