機(jī)電一體電動(dòng)機(jī)的控制與保護(hù)

摘 要：文章以一電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，介紹了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原件選型、設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容，并且給出了可能出現(xiàn)的重要問題的解決方案。希望通過文章的分析，能夠?qū)ο嚓P(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)閥門；繼電器保護(hù)；機(jī)電一體化技術(shù)

1 機(jī)電一體化中電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

由霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器可以檢測(cè)到三相輸出電流、電壓和閥門位置信號(hào)，這三者經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)處理，產(chǎn)生PWM波并經(jīng)光電耦合作用在逆變模塊IPM上，以此實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速和對(duì)閥位的控制。

1.2 控制系統(tǒng)各功能元件的選型與設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（微控制器）。與其他微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)，最大優(yōu)點(diǎn)在于其體積小可用于儀表內(nèi)部?？刂葡到y(tǒng)中選用了8031單片機(jī)。8031單片機(jī)是由INTEL公司出品，其在系統(tǒng)將完成以下信號(hào)處理工作：接收閥門開關(guān)程度信號(hào)，并發(fā)射三相PWM波發(fā)生器處理的信號(hào)。對(duì)IPM發(fā)出的不正常信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理。對(duì)模擬輸入口接收的I和U等檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)射系統(tǒng)工作狀態(tài)信號(hào)。

（2）三相PWM波發(fā)生器：模擬和數(shù)字兩種方式均可產(chǎn)生PWM波。MITEL公司生產(chǎn)的SA8282三相PWM波發(fā)生器，不僅可以使PWM波控制信號(hào)達(dá)到智能功率模塊的高要求，還能保證微處理器進(jìn)行執(zhí)行檢測(cè)、控制等功能需要的時(shí)間。

（3）智能逆變模塊IPM：電機(jī)電源通常選用智能功率模塊IPM來，這是因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)的體積小，可靠性高。日本制造的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統(tǒng)中三相異步電機(jī)對(duì)功率小于5.50kW，380V額定電壓，0.750功率因數(shù)的要求。這種功率模塊的高性能性表現(xiàn)在集和功率開關(guān)和驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)電路于一身的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路問題和高溫問題的保護(hù)及報(bào)警信號(hào)輸出功能。

（4）位置檢測(cè)電路：位置檢測(cè)電路為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供位置信號(hào)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中占據(jù)著重要地位。選擇一個(gè)什么型號(hào)的位置傳感器直接影響整個(gè)信號(hào)傳輸過程。在該案例中選用的是脈沖數(shù)字式傳感器，它克服了以往的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中繞線電位器壽命短，差動(dòng)變壓器線性區(qū)太短和溫度特性不理想等問題。導(dǎo)電塑料電位器雖然被選用的多，但存在精度欠佳的缺點(diǎn)。而脈沖數(shù)字式傳感器是高精度和高穩(wěn)定性且無線性區(qū)限制、溫度限制的無觸點(diǎn)新型傳感器，能夠達(dá)到對(duì)位置檢測(cè)電路的要求。

（5）電壓、電流及檢測(cè)：通過電壓和電流可以得到電機(jī)的力矩，

并且檢查電機(jī)可能出現(xiàn)的問題，如斷相保護(hù)、逆變模塊和變頻器輸出回路短路等。而普通的電流、電壓互感器的頻率不能控制在0～50Hz范圍內(nèi)，不能滿足變頻器的需求。

（6）通訊接口：系統(tǒng)的串行通訊接口必須采用MAX232，計(jì)算機(jī)才能聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制。

（7）時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路即提供時(shí)間及日歷的電路，在計(jì)算速度與周期控制、采樣時(shí)起很大的作用。該案例中選用的DS12887時(shí)鐘電路，其特點(diǎn)是含有不易丟失的RAM，保障在長(zhǎng)期使用中有充足的存儲(chǔ)空間和有效數(shù)據(jù)。

（8）液晶顯示單元：控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話提出了全新的挑戰(zhàn)，采用MGLS12832液晶顯示模塊使該項(xiàng)難題變成可能。組態(tài)顯示的MGLS12832液晶顯示模塊，可以建立選擇菜單，在菜單中對(duì)力矩、電機(jī)、閥門、限位、參數(shù)以及通訊等信號(hào)作出數(shù)值域的預(yù)設(shè)以便之后對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或調(diào)試。并且液晶顯示屏可以將繁瑣的數(shù)據(jù)可以以文圖結(jié)合的方式生動(dòng)直觀地呈現(xiàn)出來。

（9）程序出格自恢復(fù)電路：MAX705組成程序出格自恢復(fù)電路與

強(qiáng)干擾作用下實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)工作狀況相同，并呈現(xiàn)出自動(dòng)化、快速化的特征，對(duì)有效監(jiān)視程序起到了良好的作用。

工作原理為：程序出格時(shí)WDO由高變低，通過微分電路，由“與非”門輸入引腳2變?yōu)楦唠娖?。從而致使“與非”門輸出一個(gè)正脈沖，單片機(jī)接著產(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，WDO引腳接著回到高電平，程序出格自恢復(fù)電路繼續(xù)監(jiān)視程序運(yùn)行。

2 機(jī)電一體化中閥位及速度控制原理

機(jī)電一體化中對(duì)閥位和速度的控制為雙環(huán)控制，速度環(huán)在內(nèi)，位置環(huán)在外。內(nèi)環(huán)的功能是將當(dāng)前實(shí)際速度比較設(shè)置的定值速度，并利用速度調(diào)節(jié)器將PWM波發(fā)生器載波頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。其中速度給定發(fā)生器的速度值是通過比較實(shí)際閥位與給定閥位，用恒定加速度加速，減速點(diǎn)加之當(dāng)前速度、閥位值、閥位給定值的大小計(jì)算得來。

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）。任意時(shí)刻的速度給定值為：

vi=v（i-1）+ki×Ts

上式中，Δv表示兩段點(diǎn)速度變化值，Δv=vi+1-vi；Δt表示兩段間隔的時(shí)間，Δt=ti+1-ti；Ts為采樣周期。對(duì)ki進(jìn)行討論有：當(dāng)ki=0時(shí)，速度恒定不變。當(dāng)ki>0時(shí)，加速。當(dāng)ki<0時(shí)，減速。變化速率ki的取值隨給定位置、當(dāng)前位置以及運(yùn)行速度的大小變化。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決

（1）閥門柔性開關(guān)：事先設(shè)定參數(shù)后，系統(tǒng)可以利用柔性開關(guān)在閥門接近全關(guān)和全開兩個(gè)極限位置時(shí)開始點(diǎn)動(dòng)逼近，借此可有效避免對(duì)閥門造成過強(qiáng)的沖擊并提高關(guān)閉的精度。同時(shí)利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微處理器工作時(shí)的輸出力矩，這一過程的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)變頻器輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）閥位的極限位置判斷：閥位的極限位置即閥門處于完全打開和完全閉合時(shí)的關(guān)鍵位置，是較為明確的工作位置。處于全開或全關(guān)時(shí)的位置。文章中，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限位置通過檢測(cè)位置信號(hào)的增量獲得，改變了傳統(tǒng)機(jī)械式限位開關(guān)精度低、不牢固、可靠性差的情況。

（3）電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)利用溫度傳感器對(duì)實(shí)際運(yùn)行溫度的持續(xù)觀測(cè)在出現(xiàn)過高溫度時(shí)自動(dòng)斷電，從而有效避免電機(jī)溫度過高而燒毀。這也是溫度傳感器內(nèi)置在電機(jī)內(nèi)部的最終決定因素。

（4）準(zhǔn)確定位：傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作速度快，幾乎在異步電機(jī)通電的同時(shí)完成，現(xiàn)代電機(jī)工作速度卻遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)自動(dòng)切斷電源后閥門往往由于機(jī)械慣性不能及時(shí)停下，造成需要控制電機(jī)方向轉(zhuǎn)動(dòng)來糾正超程的情況，機(jī)電一體化的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)則能夠?qū)崿F(xiàn)閥門最后過程中的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)最大限度減小超程。

（5）模擬信號(hào)的隔離：以LM358和4N25組成的隔離線性放大電路為例（如圖1所示）。該隔離線性放大電路的工作電源采用±15V和±12V兩組。運(yùn)放A的正相端電位受多種因素的制約與影響，在受到輕微擾動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反向偏離虛地現(xiàn)象。也就是說，輸入端的電位與輸出端電位變化成反比關(guān)系，輸入端電位降低，輸出端電位就會(huì)相應(yīng)增高，直接削弱了光電耦合器的發(fā)電強(qiáng)度，集射極電壓增高；反之，則不然，就促使電路重新回歸正常工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語

綜上所述，智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)憑借其液晶顯示技術(shù)是測(cè)量、決斷、執(zhí)行3合1的創(chuàng)新成果。機(jī)械發(fā)展?jié)u漸走向模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動(dòng)化、綠色化。這樣的時(shí)代背景下，智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)在順應(yīng)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展和對(duì)生產(chǎn)安全不斷要求的同時(shí)，為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究開發(fā)開拓了一條新的道路。