化产品单元模块是项复杂而有前途的工作。如研制具有 集减速变频调速电机体的动力驱动单元具有视觉图像处理识别和测距等功 能的电机体控制单元等。这样在产品开发设计时可以利用这些标准模块化单元 迅速开发出新的产品。 网络化 由于网络的普及基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的 终端设备本身就是机电体化产品现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可 能利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系 统使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处因此机电体化产品无疑应 朝网络化方向发展。 人性化 机电体化产品的最终使用对象是人如何给机电体化产品赋予人的智能情 感和人性显得愈来愈重要机电体化产品除了完善的性能外还要求在色彩造型 等方面与环境相协调使用这些产品对人来说还是种艺术享受如家用机器人的 最高境界就是人机体化。 微型化 微型化是精细加工技术发展的必然也是提高效率的需要。微机电系统 简称是指可批量制作的集微型机构微型 传感器微型执行器以及信号处理和控制电路直至接口通信和电源等于体的微 型器件或系统。自年美国斯坦福大学研制出第个医用微探针年美国加 州大学分校研制出第个微电机以来国内外在工艺材料以及微观 机理研究方面取得了很大进展开发出各种器件和系统如各种微型传感器压 力传感器微加速度计微触觉传感器各种微构件微膜微粱微探针微连 杆微齿轮微轴承微泵微弹簧以及微机器人等。 集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透相互融合和各种产品不同结构的优化与复 合又包含在生产过程中同时处理加工装配检测管理等多种工序。为了实现多 品种小批量生产的自动化与高效率应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分 解为若干层次使系统功能分散并使各部分协调而又安全地运转然后再通过软 硬件将各个层次有机地联系起来使其性能最优功能最强。 带源化 是指机电体化产品自身带有能源如太阳能电池燃料电池和大容量电池。由 于在许多场合无法使用电能因而对于运动的机电体化产品自带动力源具有独特 的好处。带源化是机电体化产品的发展方向之。 绿色化 科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化在物质丰富的同时也带来资源减 少生态环境恶化的后果。所以人们呼唤保护环境回归自然实现可持续发展 绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗低材耗低污染舒适 协调而可再生利用的产品。在其设计制造使用和销毁时应符合环保和人类健康的 要求机电体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境产品寿命结束 时产品可分解和再生利用。 光机电体化 般的机电体化系统是由传控制等功能文中选用 公司生产的作为三相发生器。是专用大规模集成电路具 有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。 智能逆变模块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。该执行机构主要适用功率小于的三相异步电机其额定 电压为功率因数为。经计算可知选用日本产的智能功率模块 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体并内置过 电流短路欠电压和过热保护以及报警输出是种高性能的功率开关器件。 位置检测电路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。 电压电流及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输出的三相电流对于输出电压的检测 采用分压电路。如图所示。 通讯接口为了实现计算机联网和远程控制选用作为系统的串行通 讯接口内部有两个完全相同的电平转换电路可以把串行口输出的 电平转换为标准电平把其它微机送来的标准电平转换成电平 给实现单片机与其它微机间的通讯。 时钟电路时钟电路主要用来提供采样与控制周期速度计算时所需要的时间 以及日历。文中选用时钟电路。内部有字节的用户非易失性 可用来存入需长期保存的数据。 液晶显示单元为了实现人机对话功能选用液晶显示模块组成显 示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择可分别对阀门力矩限位电机通 讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式显示直观清晰。 程序出格自恢复电路为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复 正常选用组成程序出格自恢复电路监视程序运行。如图所示该电 路由与非门及微分电路组成。 工作原理为旦程序出格由高变低由于微分电路的作用由与非 门输入引脚变为高电平引脚电平的这种变化使与非门输出个正脉冲使 单片机产生次复位复位结束后又由程序通过口向的引脚发 正脉冲使引脚回到高电平程序出格自恢复电路继续监视程序运行。 第章机电体化中阀位及速度控制原理 阀位及速度控制原理框图如图所示。 采用双环控制方案其中内环为速度环外环为位置环。速度环主要将当前速度 与速度给定发生器送来的设定速度相比较通过速度调节器改变波发生器载波频 率实现电机的转速调节。速度调节器采用模糊神经网络控制算法具体内容另文叙 述。 外环主要根据当前位置速度的设定通过速度给定发生器向内环提供速度的设定 值。由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速匀速减速等阶段。各阶段的时 间长短加速度的大小在何位置开始匀速或减速均与给定位置当前位置以及运行 速度有关。速度给定发生器的工作原理为通过比较实际阀位与给定阀位当二者不 相等时以恒定加速度加速减速点根据当前速度阀位值阀位给定值的大小计算 得来。 执行机构各阶段运行速度的计算原理 图为执行机构的典型运行速度图它由若干段变化速率不同的折线组成。将 曲线上速率开始发生改变的那点称为起始段点相应的时间称为段起始时间如图 中的„„相应的速度称为段起始速度如图所示 „。 设第段速度的变化速率为则有 式中为两段点之间的速度变化值 为两段之间的时间。 显然当时为恒速段时为升速段时为减速段。任意时刻的速 度给定值为 为采样周期。 山西机电职业技术学院 毕 业 论 文 院校山西机电职业技术学院 题目机电体化中的电机控制与保护 专业机电体化 班级机电 姓名段帅 内容摘要据机电体化技术的发展前景提出种 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。该执行机构将阀门伺服电机控制 器合为体采用单片机变频技术实现了阀门的 动作速度和位置控制解决了阀门的精确定位阀门柔性 开关极限位置判断电机保护及模拟信号隔离等技术问 题。现场运行情况表明该电动执行机构具有动作快保 护完善以及便于和计算机通讯等优点充分利用了机电 体化技术带来的方便快捷。 关键词电动机阀门继电器保护机电体化技术总 结 引言 在现代化生产过程中执行机构起着十分重要的作用 它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大 流量电动执行机构存在着控制手段落后机械传动机构 多结构复杂定位精度低可靠性差等问题。而且执行 机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内 部减速齿轮的减速比旦出厂这速度固定不可调整 其通用性较弱。整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施 以及必要的通信手段系统的安全性较差不便与计算机 联网。鉴于以上原因采用传统的大流量电动执行机构的 控制系统可靠性和稳定性较差。随着计算机网络现场 总线等技术在工业过程中的应用这种执行机构已远远不 能满足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机 构采用机电体化技术将阀门伺服电机控制器合 为体利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内 置变频器采用模糊神经网络实现阀门的动作速度精 确定位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 模件机械传动装置和复杂昂贵的控制柜和配电柜具 有动作快保护较完善便于和计算机联网等优点。实际 运行表明该执行机构工作稳定性能可靠。自电子技 术问世电子技术和机械技术的结合就开始了只是出 现了半导体集成电路尤其是出现了以微处理器为代表的 大规模集成电路以后机电体化技术之后有了明显进 展引起了人们的广泛注重 第章机电体化技术发展历程及其趋向 机电体化是机械微电子控制计算机信息处理等多学科的交叉融合其发展和进步 有赖于相关技术的进步与发展其主要发展方向有数字化智能化模块化网络化人性化 微型化集成化带源化和绿色化。 机电体化技术发展历程 数控机床的问世写下了机电体化历史的第页 微电子技术为机电体化带来勃勃生气 可编程序控制器电力电子等的发展为机电体化提供了坚强基础 激光技术模糊技术信息技术等新技术使机电体化跃上新台阶 机电体化发展趋向 数字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础如不断发展的数控机床和机器 人而计算机网络的迅速崛起为数字化设计与制造铺平了道路如虚拟设计计算 机集成制造等。数字化要求机电体化产品的软件具有高可靠性易操作性可维护 性自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作诊断和修复。 智能化 即要求机电产品有定的智能使它具有类似人的逻辑思考判断推理自主决 策等能力。例如在数控机床上增加人机对话功能设置智能接口和智能工艺 数据库会给使用操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制神经网络灰色理 论小波理论混沌与