畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）新型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1、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、閥門柔性開關(guān)、極限位置判斷、電機(jī) 模擬信號(hào)隔離等技術(shù)問題?，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、可靠性差等問題。而且執(zhí)行

2、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) 閥門的開與關(guān)。通過內(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、柔性開關(guān)以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩等控制。

3、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 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.- 1 - 第三節(jié) 智能逆變模塊 ipm .- 5 - 第四節(jié) 位置檢測(cè)電路 .- 12 - 第五節(jié) 電壓及電流檢測(cè) .- 12 - 第六節(jié) 通訊接口 .- 14 - 第七節(jié) 時(shí)鐘電路 .- 15 - 第八節(jié) 液晶顯示單元 .- 19 - 第九節(jié) 程序出格自恢復(fù)電路 .- 19 - 第二章 閥位及速度

4、控制原理.- 20 - 第三章 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決.- 22 - 第一節(jié) 閥門柔性開關(guān) .- 22 - 第二節(jié) 電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn) .- 23 - 第三節(jié) 準(zhǔn)確定位 .- 24 - 第四節(jié) 模擬信號(hào)的隔離 .- 26 - 結(jié)束語.- 27 - 謝 辭.- 28 - 參考文獻(xiàn).- 29 - 第一章第一章 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)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

5、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 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、閥門開啟、關(guān)閉及閥門開度等設(shè)定信號(hào)，并 提供三相 pw

6、m 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)來的控制信號(hào)，向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)； mcs-518031 單片機(jī)簡(jiǎn)介: 1.mcs-51 8031 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 圖 1-1 為 inter mcs-51 8031 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 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; 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; 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

7、; 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; 串行輸入/輸出口（2 條）:串行通信、擴(kuò)展 i / o 接口芯片; 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; 時(shí)鐘電路:內(nèi)振、外振; 中斷系統(tǒng):五源中斷、2 級(jí)優(yōu)先。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：mcs-51 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

8、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。 mcs-58031 單片 2 單片機(jī)外部引腳 圖 1-2 2 為 inter mcs-51 8031 單片機(jī)外部引腳結(jié)構(gòu)圖 1)、主電源引腳：vss、vcc。 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。 p0-p3 口：輸出高電平 sp ： 07h s

9、fr、pc： 清 0 不影響內(nèi) ram 狀態(tài)，機(jī)器從 0 地址開始執(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 ，訪問內(nèi)部程序 內(nèi)存當(dāng) pc 值超過內(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：p0-p3：四個(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

10、數(shù)字兩種方法。模擬法電路 復(fù)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(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，并存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計(jì)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(hào)，保證微處理器有足夠的時(shí)間進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、 保護(hù)、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(dú)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 的功能特點(diǎn)的功能特點(diǎn) 控制技術(shù)是通過控制電路按一定規(guī)律來控制開關(guān)管的通斷,以得到一

11、 組等幅而不等寬的矩形脈沖波形并使其逼近正弦電壓波形。其方法有模擬方法 和數(shù)字方法兩種，其中模擬方法的電路比較復(fù)雜,且有溫漂現(xiàn)象，會(huì)影響精度, 降低系統(tǒng)的性能。數(shù)字方法則是按照不同的數(shù)字模型用計(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)并 將其存入內(nèi)存,然后通過查表及必要的計(jì)算生成波，因此數(shù)字方法受內(nèi)存 影響較大,且與系統(tǒng)精度之間存在著矛盾。是英國(guó)公司 生產(chǎn)的全數(shù)字化三相發(fā)生器，它頻率范圍寬、精度高，并可與微處理器 進(jìn)行接口,同時(shí)能夠完成外圍控制功能,因而可實(shí)現(xiàn)智能化。中的 每相輸出控制電路均由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構(gòu)成。脈沖取消電路用于去掉 脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖，以保證最小輸出脈沖寬度大于器件的開關(guān)周期。 延時(shí)

12、電路可保證死區(qū)間隔，其作用是在改變?nèi)我幌嘀袃蓚€(gè)開關(guān)器件的狀態(tài)時(shí)提 供一個(gè)較短的延遲時(shí)間，以使這段時(shí)間里的兩個(gè)開關(guān)都處于關(guān)狀態(tài)，從而防止 在轉(zhuǎn)換瞬間橋臂開關(guān)元件出現(xiàn)共通（兩個(gè)開關(guān)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間造成直通短路） 現(xiàn)象。在軟件的主程序中初始化命令和控制命令的參數(shù)計(jì)算及 設(shè)置主要用來確定頻率調(diào)節(jié)范圍、死區(qū)時(shí)間、輸出電壓幅值和中心頻率等。軟 啟動(dòng)決定著系統(tǒng)開機(jī)時(shí)輸出電壓由低逐漸升高的緩變過程。電壓、頻率調(diào)整主 要是將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算處理后去控制輸出的電壓和頻 率。過載保護(hù)程序的作用是在外接負(fù)載達(dá)到額定負(fù)載的時(shí),能使系統(tǒng)在 延時(shí)一段時(shí)間后關(guān)閉，以達(dá)到關(guān)斷輸出的目的。短路保 護(hù)程序可在外接負(fù)載大于額定負(fù)載時(shí),

13、立即關(guān)閉系統(tǒng)。由于本電路采用 單片機(jī)及三相集成電路來進(jìn)行設(shè)計(jì),因而其控 制電路大為簡(jiǎn)化,器件減少，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)也進(jìn)一步降低了成本,提高了可靠 性。 第三節(jié)第三節(jié) 智能逆變模塊智能逆變模塊 ipmipm 智能逆變模塊 ipm 為了滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積小，可靠性高的要求，電機(jī)電源 采用智能功率模塊 ipm。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要適用功率小于 55kw 的三相異步電機(jī)， 其額定電壓為 380v，功率因數(shù)為 075。經(jīng)計(jì)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(dòng)電路、制動(dòng) 電路于一體，并內(nèi)置過電流、短路、欠電壓和過熱保護(hù)以及報(bào)警輸出，是一種 高性能的功

14、率開關(guān)器件。 智能功率模塊(intelligent power module,ipm)以開關(guān)速度快、損耗小、 功耗低、有多種保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu) 點(diǎn)在電力電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。以 pm200dsa060 型 ipm 為例。介紹 ipm 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)和在單相逆變器中的應(yīng)用。 2 2 ipmipm 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) ipm 由高速、低功率 igwt、優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)電路構(gòu)成。其中,igbt 是 gtr 和 mosfet 的復(fù)合,由 mosfet 驅(qū)動(dòng) gtr,因而 ipm 具有 gtr 高電流密度、 低飽和電壓、高耐壓、mosfet 高輸入阻抗、高開關(guān)頻

15、率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。 根據(jù)內(nèi)部功率電路配置情況,ipm 有多種類型,如 pm200dsa060 型：ipm 為 d 型 (內(nèi)部集成 2 個(gè) igbt)其內(nèi)部功能框圖如圖 1-3 所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1-4 所示。 內(nèi)有驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路,保護(hù)功能有控制電源欠壓鎖定保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù) 和短路保護(hù),當(dāng)其中任一種保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)。ipm 將輸出故障信號(hào) fo。 圖 1-3 ipm 的內(nèi)部功能框圖 圖 1-4 ipm 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ipm 內(nèi)部電路不含防止干擾的信號(hào)隔離電路、自保護(hù)功能和浪涌吸收電路。 為了保證 ipm 安全可靠。需要自己設(shè)計(jì)部分外圍電路。 3 3 ipmipm 的外部驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的外

16、部驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ipm 的外部驅(qū)動(dòng)電路是 ipm 內(nèi)部電路和控制電路之間的接口,良好的外部驅(qū) 動(dòng)電路對(duì)以 ipm 構(gòu)成的系統(tǒng)的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。 由 ipm 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可見器件本身含有驅(qū)動(dòng)電路所以只要提供滿足驅(qū)動(dòng) 功率要求的 pwm 信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但 是ipm 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格：驅(qū)動(dòng)電壓范圍為 135v165v電壓低于 135v 將發(fā)生欠壓保護(hù)電壓高于 165v 可能損壞 內(nèi)部部件;驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為 5hz-20khz,且需采用電氣隔離裝置。防止干擾：驅(qū) 動(dòng)電源絕緣電壓至少是 ipm 極間反向耐壓值的 2 倍(2vces);驅(qū)動(dòng)

17、電流達(dá) 19ma 一 26ma;驅(qū)動(dòng)電路輸出端的濾波電容不能太大這是因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過 100pf 時(shí)。噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路。 圖 1-5 所示是一種典型的高可靠性 ipm 外部驅(qū)動(dòng)電路方案。來自控制電路 的 pwm 信號(hào)經(jīng) r1 限流再經(jīng)高速光耦隔離并放大后接 ipm 內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路并控制 開關(guān)管工作,fo 信號(hào)也經(jīng)過光耦隔離輸出。其中每個(gè)開關(guān)管的控制電源端采用 獨(dú)立隔離的穩(wěn)壓。15v 電源,且接 1 只 10f 的退耦電容器(圖中未畫出)以濾去 共模噪聲。rl 根據(jù)控制電路的輸出電流選取如用 dsp 產(chǎn)生 pwm則 r1 的阻值 可為 330。r2 根據(jù) ipm 驅(qū)動(dòng)電流選值,一

18、方面應(yīng)盡可能小以避免高阻抗 ipm 拾 取噪聲另一方面又要足夠可靠地控制 ipm?？稍?2k68k 內(nèi)選取。c1 為 2 端與地間的 o1f 濾波電容器,pwm 隔離光耦的要求是 tplho8f,trm10kvs,可選用 hcpia503 型、hcpia504 型、 ps204l 型(nec)等高速光耦,且在光耦輸入端接 1 只 o1 的退耦電容器(圖中 未畫出)。fo 輸出光耦可用低速光耦(如 pc817)。ipm 的內(nèi)部引腳功能如表 1 所 示。 圖 1-5 ipm 的外部驅(qū)動(dòng)電路和引腳連接示意圖 圖 1-5 的外部接口電路直接固定在 pcb 上且靠近模塊輸入腳以減少噪聲 和干擾pcb 上

19、布線的距離應(yīng)適當(dāng),避免開關(guān)時(shí)干擾引起的電位變化。 另外,考慮到強(qiáng)電可能造成外部驅(qū)動(dòng)電路到 ipm 引線的干擾,可以在引腳 14 間,3-4 間,4-5 間根據(jù)干擾大小加濾波電容器。 4 4 ipmipm 的保護(hù)電路設(shè)計(jì)的保護(hù)電路設(shè)計(jì) 由于，ipm 本身提供的保護(hù)電路不具備自保護(hù)功能所以要通過外圍硬件 或軟件的輔助電路將內(nèi)部提供的：fo 信號(hào)轉(zhuǎn)換為封鎖 ipm 的控制信號(hào)關(guān)斷 ipm,實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 41 硬件 ipm 有故障時(shí),fo 輸出低電平,通過高速光耦到達(dá)硬件電路,關(guān)斷 pwm 輸出, 從而達(dá)到保護(hù) ipm 的目的。具體硬件連接方式如下：在 pwm 接口電路前置帶控 制端的 3 態(tài)收發(fā)器(如

20、 74hc245)。pwm 信號(hào)經(jīng)過 3 態(tài)收發(fā)器后送至 ipm 接口電 路ipm 的故障輸出信號(hào) fo 經(jīng)光耦隔離輸出送入與非門。再送到 3 態(tài)收發(fā)器使 能端 oe。ipm 正常工作時(shí)與非門輸出為低電平。3 態(tài)收發(fā)器選通;ipm 有故障 時(shí)。與非門輸出為高電平。3 態(tài)收發(fā)器所有輸出置為高阻態(tài)。封鎖各個(gè) ipm 的 控制信號(hào)關(guān)斷 ipm實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 42 軟件 ipm 有故障時(shí)fo 輸出低電平,fo 信號(hào)通過高速光耦送到控制器進(jìn)行處理。 處理器確認(rèn)后。利用中斷或軟件關(guān)斷 ipm 的 pwm 控制信號(hào)從而達(dá)到保護(hù)目的。 如在基于 dsp 控制的系統(tǒng)中利用事件管理器中功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳(pdpint)

21、中 斷實(shí)現(xiàn)對(duì) ipm 的保護(hù)。通常 1 個(gè)事件管理器嚴(yán)生的多路 pwm 可控制多個(gè) ipm 工 作其中每個(gè)開關(guān)管均可輸出 fo 信號(hào),每個(gè)開關(guān)管的 fo 信號(hào)通過與門當(dāng)任一 開關(guān)管有故障時(shí)輸出低電平,與門輸出低電平將該引腳連至 pdpint,由于 pdpint 為低電平時(shí) dsp 中斷,所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻 態(tài),從而達(dá)到保護(hù)目的。 以上 2 種方案均利用 ipm 故障輸出信號(hào)封鎖 ipm 的控制信號(hào)通道因而彌 補(bǔ)了 ipm 自身保護(hù)的不足,有效地保護(hù)了器件。 5 5 ipmipm 的緩沖電路設(shè)計(jì)的緩沖電路設(shè)計(jì) 在 ipm 應(yīng)用中,由于高頻開關(guān)過程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)

22、生的 didt、dvdt 和瞬時(shí)功耗會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生較大的沖擊,易損壞器件因此需設(shè) 置緩沖電路(即吸收電路),目的是改變器件的開關(guān)軌跡,控制各種瞬態(tài)過壓,降低 器件開關(guān)損耗保護(hù)器件安全運(yùn)行。 imp 緩沖器電路為常用的 3 種 ipm 緩沖電路。imp 緩沖器電路(a)為單只無 感電容器構(gòu)成的緩沖電路,對(duì)瞬變電壓有效且成本低,適用于小功率 ipm。imp 緩 沖器電路(b)為 rcd 構(gòu)成的緩沖電路,適用于較大功率 ipm緩沖二極管 d 可箝 住瞬變電壓,從而抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其 rc 時(shí)間常數(shù) 應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)周期的 13,即 r=t3=13f。imp 緩沖器電路(c)為 p

23、型 rcd 和 n 型 rcd 構(gòu)成的緩沖電路,適用于大功率 ipm。功能類似于 imp 緩沖器電路(b)所 示的緩沖電路,其回路電感更小。若同時(shí)配合使用 imp 緩沖器電路(a)所示的緩 沖電路。還能減小緩沖二極管的應(yīng)力,緩沖效果更好。 在 imp 緩沖器電路中,當(dāng) igbt 關(guān)斷時(shí)負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管向緩沖電容 器充電,同時(shí)集電極電流逐漸減少,由于電容器二端的電壓不能突變所以有效 地限制了 igbt 集電極電壓上升率 dvdt。也避免了集電極電壓和集電極電流 同時(shí)達(dá)到最大值。igbt 集電極母線電感、電路及其元件內(nèi)部的雜散電感在 igbt 開通時(shí)儲(chǔ)存的能量,這時(shí)儲(chǔ)存在緩沖電容器中。當(dāng) ig

24、bt 開通時(shí),集電極母線電感 以及其他雜散電感又有效地限制了 igbt 集電極電流上升率 didt同樣也避 免了集電極電壓和集電極電流同時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí),緩沖電容器通過外接電阻 器和 igbt 開關(guān)放電,其儲(chǔ)存的開關(guān)能量也隨之在外接電阻器和電路、元件內(nèi)部 的電阻器上耗散。如此,便將 igbt 運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路最 后在相關(guān)電阻器上以熱的形式耗散,從而保護(hù) igbt 安全運(yùn)行。 imp 緩沖器電路中的電阻值和電容值按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。喝?pm200dsa060 的 電容值為 0221xf-047xf,耐壓值是 igbt 的 11 倍-15 倍,電阻值為 10 20,電阻功率按 p=

25、fcu2xlo-6 計(jì)算,其中 f 為 igbt 工作頻率,u 為 igbt 的工作峰 值電壓。c 為緩沖電路與電阻器串聯(lián)電容。二極管選用快恢復(fù)二極管。為了保 證緩沖電路的可靠性,可以根據(jù)功率大小選擇封裝好的 imp 緩沖器電路所示的緩 沖電路。 另外,由于母線電感、緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感對(duì) ipm 尤其是大功 率 ipm 有極大的影響,因此愈小愈好。要減小這些電感需從多方面人手：直流母 線要盡量地短;緩沖電路要盡可能地靠近模塊;選用低電感的聚丙烯無極電容器、 與 ipm 相匹配的快速緩沖二極管及無感泄放電阻器。 6 6 ipmipm 在單相全橋逆變器中的應(yīng)用在單相全橋逆變器中的應(yīng)用

26、單相全橋逆變電路所示的單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組 成。逆變電路包括逆變?nèi)珮蚝蜑V波電路,其中逆變?nèi)珮蛲瓿芍绷鞯浇涣鞯淖?換濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流電;控制電路完成對(duì)逆變橋中開關(guān) 管的控制并實(shí)現(xiàn)部分保護(hù)功能。 圖中的逆變?nèi)珮蛴?4 個(gè)開關(guān)管和 4 個(gè)續(xù)流二極管組成,工作時(shí)開關(guān)管在高頻 條件下通斷開關(guān)瞬間開關(guān)管電壓和電流變大,損耗大,結(jié)溫升高,加上功率回路 寄生電感、振蕩及噪聲等極易導(dǎo)致開關(guān)管瞬間損壞,以往常用分立元件設(shè)計(jì)開 關(guān)管的保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路,導(dǎo)致電路龐大且不可靠。 筆者采用一對(duì) pm200dsa060 雙單元 ipm 模塊分別代替圖中 vl、d1、v2、d2 組

27、合和 v3、d3、v4、d4 組合構(gòu)成全橋逆變電路,利用 dsp 對(duì) ipm 的控制,完成了中頻率 20kw、230v 逆變器的設(shè)計(jì)和調(diào)試,采用了如上所述的驅(qū)動(dòng)電路、中的緩沖電路和基于 dsp 控制的軟件 ipm 保護(hù)電路。設(shè)計(jì)實(shí)踐表明：使用 ipm 可簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件電路、縮短系統(tǒng)開 發(fā)時(shí)間、提高可靠性、縮小體積,提高保護(hù)能力。 第四節(jié)第四節(jié) 位置檢測(cè)電路位置檢測(cè)電路 位置檢測(cè)電路的位置檢測(cè)電路是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要組成部分，它的功能是提 供準(zhǔn)確的位置信號(hào)。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中 多采用繞線電位器、差動(dòng)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(dòng)變壓器由于線性區(qū)

28、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(diǎn)的，壽命也不可能很長(zhǎng)，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(diǎn)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(diǎn)。 第五節(jié)第五節(jié) 電壓及電流檢測(cè)電壓及電流檢測(cè) 檢測(cè)電壓、電流主要是為了計(jì)算電機(jī)的力矩，以及變頻器輸出回路短路、 斷相保護(hù)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 050hz，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(cè) ipm 輸出的三相電流，對(duì)于 ipm 輸出電壓的 檢測(cè)采用分壓電路。 圖 1-8 i

29、pm 輸出電流和電壓檢測(cè) ipm 的主要特點(diǎn)： ipm 是將主開關(guān)器件、續(xù)流二極管、驅(qū)動(dòng)電路、過電流保護(hù)電路、過熱保 護(hù)電路和短路保護(hù)電路以及驅(qū)動(dòng)電源不足保護(hù)電路、接口電路等集成在同一封 裝內(nèi)，形成的高度集成的智能功率集成電路。它的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在控制功能、 保護(hù)功能和接口功能方面。 (1)驅(qū)動(dòng)電路：在 ipm 內(nèi)部設(shè)置了高性能的驅(qū)動(dòng)電路，具有出現(xiàn)故障后自 動(dòng)軟關(guān)斷 igbt 的功能，同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動(dòng)電路與 igbt 之間距離極短， 抗干擾能力強(qiáng)，輸出阻抗又很低，不需要加反偏壓，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路電源，僅 需提供 1 組下橋臂的公共電源和 3 組上橋臂的獨(dú)立“浮地”電源。 (2)欠電壓保護(hù)每

30、個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都具有欠電壓(w)保護(hù)功能。無論什么原因， 只要驅(qū)動(dòng)電路電源電壓認(rèn) c 低于欠電壓閡值 yuv 時(shí)間超過 10ms，ipm 就會(huì)關(guān)斷， 同時(shí)輸出一個(gè)故障報(bào)警信號(hào)。 (3)過熱保護(hù)：um 內(nèi)部絕緣基板上設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)溫度超過過熱斷開 闊值時(shí)，ipm 內(nèi)部的保護(hù)電路就會(huì)阻止門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，不接受控制輸入信號(hào)， 直至過熱現(xiàn)象消失，保護(hù)器件不受損壞，同時(shí)輸出過熱故障信號(hào)。當(dāng)溫度下降 到過熱復(fù)位網(wǎng)值時(shí)，電路自動(dòng)恢復(fù)正常工作。 (4)過電流、短路保護(hù)：ipm 中的 igbt 電流傳感器是射極分流式，采樣電 阻上流過的電流很小，但與流過開關(guān)器件上的電流成正比例關(guān)系，從而取代了 大功率電阻、電流互

31、感器、霍爾電流傳感器等電流檢測(cè)組件。如果 um 中任意一 igbt 的 c 極電流大于過電流動(dòng)作電流時(shí)間超過 10lls 時(shí)，um 將軟關(guān)斷，并且輸 出過電流報(bào)警信號(hào)。 (5)制動(dòng)電路:ipm 中設(shè)有 igbt 組成的制動(dòng)電路。當(dāng) um 接收到制動(dòng)信號(hào)后， 通，接在制動(dòng)端 bn 的制動(dòng)電阻吸收電能，制動(dòng)電路工作。 (6)使用方便制動(dòng)電路中的 igbt 導(dǎo) um 采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，直接安裝在散 熱板上；直流輸入(p、n)、制動(dòng)單元輸出(b)和變頻輸出端子直接用螺釘連接； 輸入、輸出控制端子并排成一列，可用通用插座連接。所以主接線端子和控制 端子都可直接拆卸，不需烙鐵焊接，非常方便。 第六節(jié)第六節(jié)

32、 通訊接口通訊接口 為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)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(gè)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 rs232 標(biāo)準(zhǔn)電平，把其它微機(jī)送來的 rs232 標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換成 ttl 電平給 8031，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其它微機(jī)間的通訊。 max232 簡(jiǎn)介： 使 max232 芯片是美信公司專門為電腦的 rs-232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電 平轉(zhuǎn)換芯片,用+5v 單電源供電。 圖 1-9 max232 芯片結(jié)構(gòu) 引腳介紹： 第一部分是電荷泵電路:由 1、2、3、4、5、6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是 產(chǎn)生+1

33、2v 和-12v 兩個(gè)電源，提供給 rs-232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道:由 7、8、9、10、11、12、13、14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù) 據(jù)通道。 其中 13 腳（r1in） 、12 腳（r1out） 、11 腳（t1in） 、14 腳（t1out）為第 一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（r2in） 、9 腳（r2out） 、10 腳（t2in） 、7 腳（t2out）為第 二數(shù)據(jù)通道。 ttl/cmos 數(shù)據(jù)從 t1in、t2in 輸入轉(zhuǎn)換成 rs-232 數(shù)據(jù)從 t1out、t2out 送到電腦 db9 插頭；db9 插頭的 rs-232 數(shù)據(jù)從 r1in、r2in 輸入 轉(zhuǎn)換成 ttl

34、/cmos 數(shù)據(jù)后從 r1out、r2out 輸出。 第三部分是供電:15 腳 gnd、16 腳 vcc（+5v） 。 主要特點(diǎn)： 1、符合所有的 rs-232c 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 2、只需要單一 +5v 電源供電。 3、片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10v 和-10v 電壓 v+、v-。 4、功耗低，典型供電電流 5ma。 5、內(nèi)部集成 2 個(gè) rs-232c 驅(qū)動(dòng)器。 6、內(nèi)部集成兩個(gè) rs-232c 接收器。 第七節(jié)第七節(jié) 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計(jì)算時(shí)所需要的時(shí)間以及日 歷。文中選用時(shí)鐘電路 ds12887。ds12887 內(nèi)部有 114

35、字節(jié)的用戶非易失性 ram，可用來存入需長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)。 采用 ds12887 芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路無需任何外圍電路和器件，并具有良好 的微機(jī)接口。ds12887 芯片具有微功耗，外圍接口簡(jiǎn)單，精度高，工作穩(wěn)定可 靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于各種需要較高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)中。采用 ds12887 芯 片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路無需任何外圍電路和器件，并具有良好的微機(jī)接口。ds12887 芯片具有微功耗，外圍接口簡(jiǎn)單，精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于 各種需要較高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)中。 ds12887 主要功能簡(jiǎn)介主要功能簡(jiǎn)介 （1）內(nèi)含一個(gè)鋰電池，斷電后運(yùn)行十年以上不丟失數(shù)據(jù)。 （2）計(jì)秒，分，時(shí)，天，星期

36、，日，月，年，并有閏年補(bǔ)嘗功能。 （3）二進(jìn)制數(shù)碼或 bcd 碼表示時(shí)間，日歷和定鬧。 （4）12 小時(shí)或 24 小時(shí)制，12 小時(shí)時(shí)鐘模式帶有 pm 和 am 指示，有夏令時(shí) 功能。 （5）motorola 和 intel 總線時(shí)序選擇。 （6）有 128 個(gè)字節(jié) ram 單元與軟件接口，其中 14 個(gè)字節(jié)作為時(shí)鐘和控制 寄存器，114 字節(jié)為通用 ram，所有 ram 單元數(shù)據(jù)都具有掉電保護(hù)功能。 （7）可編程方波信號(hào)輸出。 （8）中斷信號(hào)輸出（irq）和總線兼容，定鬧中斷，周期性中斷、時(shí)鐘更 新周期結(jié)束中斷可分別由軟件屏蔽，也可分別進(jìn)行測(cè)試。 原理及引腳說明原理及引腳說明 ds12887

37、 內(nèi)部由振蕩電路，分頻電路，周期中斷/方波選擇電路，14 字節(jié)時(shí) 鐘和控制單元，114 字節(jié)用戶非易失 ram，十進(jìn)制/二進(jìn)制累加器，總線接口電 路，電源開關(guān)寫保護(hù)單元和內(nèi)部鋰電池等部分組成。ds12887 引腳分配： vcc：直流電源+5v 電壓。當(dāng) 5v 電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)可讀寫；當(dāng) vcc 低于 4.25v,讀寫被禁止，計(jì)時(shí)功能仍繼續(xù)；當(dāng) vcc 下降到 3v 以下時(shí)，ram 和計(jì) 時(shí)器供電被切換到內(nèi)部鋰電池。 mot（模式選擇）：mot 引腳接到 vcc 時(shí)，選擇 motorola-p.htm target=_blank title=motorola 貨源和 pdf 資料moto

38、rola 時(shí)序，當(dāng)接到 gnd 時(shí)，選擇 intel 時(shí)序。 sqw（方波信號(hào)輸出）：sqw 引腳能從實(shí)時(shí)鐘內(nèi)部 15 級(jí)分頻器的 13 個(gè)抽頭 中選擇一個(gè)作為輸出信號(hào)，其輸出頻率可通過對(duì)寄存器 a 編程改變。 ad0-ad7（雙向地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線）：總線接口，可與 motorola 微機(jī)系列和 intel 微機(jī)系列接口。 as（地址選通輸入）：用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離，在 ad/ale 的下降沿把地址鎖入 ds12887。 ds（數(shù)據(jù)選通或讀輸入）：ds/rd 引腳有兩種操作模式，取決于 mot 引腳 的電平，當(dāng)使用 motorola 時(shí)序時(shí)，ds 是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段， 稱為數(shù)據(jù)選通；

39、在讀周期，ds 指示 ds12887 驅(qū)動(dòng)雙向總線的時(shí)刻；在寫周期， ds 的后沿使 ds12887 鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇 intel 時(shí)序時(shí)，ds 稱作（rd） ，rd 與典 型存貯器的允許信號(hào)（oe）的定義相同。 r/w（讀/寫輸入）：r/w 引腳也有兩種操作模式。選 motorola 時(shí)序時(shí)， r/w 是低電平信號(hào)時(shí)，指示當(dāng)前周期是讀或?qū)懼芷冢琩s 為高電平時(shí)，r/w 高電 平指示讀周期，r/w 信號(hào)一低電平信號(hào)，稱為 wr。在此模式下，r/w 引腳與通 用 ram 的寫允許信號(hào)（we）的含義相同。 cs（片選輸入）：在訪問 ds12887 的總線周期內(nèi)，片選信號(hào)必須保持為低。 irq（中斷

40、申請(qǐng)輸入）：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒有中斷的 條件滿足時(shí)，irq 處于高阻態(tài)。irq 線是漏極開路輸入，要求外接上接電阻。 reset（復(fù)位輸出）：當(dāng)該腳保持低電平時(shí)間大于 200ms，保證 ds12887 有 效復(fù)位。 內(nèi)部功能內(nèi)部功能 地址分配 ：ds12887 的地址由 114 字節(jié)的用戶 ram 存放。10 字節(jié)的存放實(shí) 時(shí)時(shí)鐘時(shí)間，日歷和定鬧 ram 及用于控制和狀態(tài)的 4 字節(jié)特殊寄存器組成，幾 乎所有的 128 個(gè)字節(jié)直接讀寫。 時(shí)間，日歷和定鬧單元：時(shí)間和日歷信息通過讀相應(yīng)的內(nèi)存字節(jié)來獲取， 時(shí)間，日歷和定鬧通過寫相應(yīng)的內(nèi)存字節(jié)設(shè)置或初始化，其字節(jié)內(nèi)容可以是二 進(jìn)制

41、或 bcd 形式。時(shí)間可選擇 12 小時(shí)制或 24 小時(shí)制，當(dāng)選擇 12 小時(shí)制時(shí)，小 時(shí)字節(jié)的高門為邏輯“1”代表 pm。時(shí)間，日歷和定鬧字節(jié)是雙緩沖的，總是 可訪問的。每秒鐘這 10 個(gè)字節(jié)走時(shí) 1 秒，檢查一次定鬧條件，如在更新時(shí)，讀 時(shí)間和日歷可能引起錯(cuò)誤，三個(gè)字節(jié)的定鬧字節(jié)有兩種使用方法。第一種，當(dāng) 定鬧時(shí)間寫入相應(yīng)時(shí)，分，秒，定鬧單元，在定允許鬧位置高的條件下，定鬧 中斷每天準(zhǔn)時(shí)起動(dòng)一次。第二種，在三個(gè)定鬧字節(jié)中插入一個(gè)或多個(gè)不關(guān)心碼。 不關(guān)心碼是任意從 o0 到 ff 的 16 進(jìn)制數(shù)。當(dāng)小時(shí)字節(jié)的不關(guān)心碼位置位時(shí)，定 鬧為小時(shí)發(fā)生一次；同樣，當(dāng)小時(shí)和分鐘定鬧字節(jié)置不關(guān)心位時(shí)，每

42、分鐘定鬧 一次；當(dāng)三個(gè)字節(jié)都置不關(guān)心位時(shí)，每秒中斷一次。 非易失 ram ：在 ds1288 中，114 字節(jié)通用非易失 ram 不專用一任何特殊功 能，它們可被處理器程序用作非易失內(nèi)存，在更新周期也可訪問。 中斷 ：rtc 實(shí)時(shí)時(shí)鐘加 ram 向處理器提供三個(gè)獨(dú)立的，自動(dòng)的中斷源。定 鬧中斷的發(fā)生率可編程，從每秒一次到每天一次，周期性中斷的發(fā)生率可從 500ms 到 122s 選擇。更新結(jié)束中斷用于向程序指示一個(gè)更新周期完成。中斷控 制和狀態(tài)位在寄存器 b 和 c 中，本文的其它部分將詳細(xì)描述每個(gè)中斷發(fā)生條件。 晶振控制位 ：ds12887 出廠時(shí)，其內(nèi)部晶振被關(guān)掉，以防止鉭電池在芯片 裝入

43、系統(tǒng)前被消耗。寄存器 a 的 bit4-bit6 的其它組合都是使晶振關(guān)閉。 方波輸出選擇 ：15 級(jí)分頻抽頭中的 13 個(gè)可用于 15 選 1 選擇器，選擇分 頻器抽頭的目的是在 sqw 引腳產(chǎn)生一個(gè)方波信號(hào)，其頻率由寄存器 a 的 rs0- rs3 位設(shè)置。sqw 頻率選擇器與周期中斷發(fā)生器共有 15 選 1 選擇器，一旦頻率 選擇好，通過用程序控制方波輸出允許位 sqwe 來控制 sqw 引腳輸出的開關(guān)。 周期中斷選擇 ：周期中斷可在 irq 腳產(chǎn)生 500ms 一次到每 122s 一次的 中斷，中斷步率同樣由寄存 a 確定，它的控制位為寄存器 b 中的 pie 位。 ds12887 每

44、一秒執(zhí)行一次更新周期，保證時(shí)間、日歷的準(zhǔn)確。更新周期還比較 每一定鬧字節(jié)與相應(yīng)的時(shí)間字節(jié)，如果匹配或三個(gè)字節(jié)都是不關(guān)心碼，則產(chǎn)生 一次定鬧中斷。 狀態(tài)控制寄存器狀態(tài)控制寄存器 ds12887 有 4 個(gè)控制寄存器，它們?cè)谌魏螘r(shí)間都可訪問，即使更新周期也 不例外。 寄存器 a uip：更新周期正在進(jìn)行位。當(dāng) uip 為 1，更新轉(zhuǎn)換將很快發(fā)生，當(dāng) uip 為 0，更新轉(zhuǎn)換至少在 244s 內(nèi)不會(huì)發(fā)生。dv0、dv1、dv2：用于開關(guān)晶振和復(fù)位分 頻鏈。這些位的 010 唯一組合將打開晶振并充許 rtc 計(jì)時(shí)。 rs3、rs2、rs1、rs0：頻率選擇位，從 15 級(jí)頻率器 13 個(gè)抽頭中選一個(gè)，

45、 或禁止分頻器輸入。選擇好的抽頭用于產(chǎn)生方波（sqw 引腳）輸出和周期中斷， 用戶可以： （1）用 pie 位允許中斷。 （2）用 sqwe 位允許并用相同的頻率。 第八節(jié)第八節(jié) 液晶顯示單元液晶顯示單元 液晶顯示單元是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)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(duì)閥門、力矩、限位、 電機(jī)、通訊和參數(shù)等信號(hào)進(jìn)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。這樣就能更好的實(shí)行人機(jī)信息交換，更加清楚地了解當(dāng)前機(jī) 器的運(yùn)行狀態(tài)，便于人們的操作。 第九節(jié)第九節(jié) 程序出格自恢復(fù)電路程序出格自恢復(fù)電路 程序出格自恢復(fù)電路是

46、為了保證在強(qiáng)干擾下程序出格時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)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(yùn)行。 圖 1-10 程序出格自恢復(fù)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?，引腳 2 電平的這種變化使“與非”門輸出 一個(gè)正脈沖，使單片機(jī)產(chǎn)生一次復(fù)位，復(fù)位結(jié)束后，又由程序通過 p10 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(yùn)行程序出格自恢復(fù)電路 為了保證在鏹干擾下程序出格時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)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(yùn)行。

47、 第二章第二章 閥位及速度控制原理閥位及速度控制原理 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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中存在加速、勻速、減速等階段。 各階段的時(shí)間長(zhǎng)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(yùn)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(shí)際閥 位與給定閥位，當(dāng)二者不相等時(shí)，

48、以恒定加速度加速，減速點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前速度、 閥位值、閥位給定值的大小計(jì)算得來。 閥位及速度控制（圖 2-1）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(shí)現(xiàn)電機(jī)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。位置環(huán)主要根據(jù)當(dāng)前位置與設(shè)定位置的差值， 通過速度給定發(fā)生器向內(nèi)環(huán)提供速度的設(shè)定值。由于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行過程中 存在加速、勻速和減速等階段，各階段的時(shí)間長(zhǎng)短、加速度的大小及何位置開 始勻速或減速，均與給定位置、當(dāng)前位置以及運(yùn)行速度有關(guān)。速度給定發(fā)生器， 通過比較實(shí)際閥位與給定閥

49、位， 當(dāng)二者不相等時(shí)，以恒定加速度加速， 減速 點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前速度、閥位值和閥位給定值的大小計(jì)算得來。 圖 2-1 閥位及速度控制原理圖 圖 2-2 為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的典型運(yùn)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(diǎn)稱為起始段點(diǎn)，相應(yīng)的時(shí)間稱為段 起始時(shí)間 t（i） （i=0，1，2，），相應(yīng)的速度稱為段起始速度（i） （i=0，1，2，）。 圖 2-2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的典型運(yùn)行速度 設(shè)第 i 段速度的變化速率用 k 表示，則有： 式中：v 兩段點(diǎn)之間的速度變化值，m/s v=vi+1-vi t=ti+1-ti 顯然， 當(dāng) ki=0 時(shí)為恒速值，ki0 時(shí)為升速段，ki0

50、 時(shí)為減速段。任意時(shí)刻的 式中 ts采樣周期，hz。 變化速率 ki的取值應(yīng)根據(jù)給定位置、當(dāng)前位置以及運(yùn)行速度的大小確定。 第三章第三章 關(guān)鍵技術(shù)問題的解決關(guān)鍵技術(shù)問題的解決 該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了最新的變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率小于 55kw。 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?？刂葡到y(tǒng)由閥位給定和閥位反饋信號(hào)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)， 控制特性視運(yùn)行方式、速度而定，并具有自動(dòng)過流保護(hù)、過載保護(hù)、超壓、欠 壓、過熱、缺相、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要有 一下幾點(diǎn)： 第一節(jié)第一節(jié) 閥門柔性開關(guān)閥門柔性開關(guān) 閥門柔性開關(guān)：柔性

51、開關(guān)主要是為了當(dāng)閥關(guān)閉或全開時(shí)，保證閥門不卡死 與損傷。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的微處理器根據(jù)測(cè)得的變頻器輸出電壓和電流，通過精 確計(jì)算，得出其輸出力矩。一旦輸出力矩達(dá)到或大于設(shè)定的力矩，自動(dòng)降低速 度，以避免閥門內(nèi)部過度的撞擊，從而達(dá)到最優(yōu)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)過力矩保護(hù)。 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(jī) 構(gòu)中，該位置的檢測(cè)是通過機(jī)械式限位開關(guān)獲得的。機(jī)械式限位開關(guān)精度低， 在運(yùn)行中易松動(dòng)，可靠性差。在文中，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。其原理是，單片機(jī)將本次檢測(cè)的位置信號(hào)與上次檢測(cè)的信號(hào)相 比較，如果未發(fā)生變化或變化較小，即認(rèn)為己達(dá)到極限位置，立即切斷異步電

52、機(jī)的供電電源，保證閥門的安全關(guān)閉或全開。省去了機(jī)械式限位開關(guān)，無需在 調(diào)試時(shí)對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。 第二節(jié)第二節(jié) 電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn) 電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)為了防止電機(jī)因過熱而燒毀，單片機(jī)通過溫度傳感器連 續(xù)檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行溫度，如果溫度傳感器檢測(cè)到電機(jī)溫度過高，自動(dòng)切斷 供電電源。溫度傳感器內(nèi)置于電機(jī)內(nèi)部。 目前電機(jī)保護(hù)器已由過去的機(jī)械式發(fā)展為電子式和智能型，可直接顯示電 機(jī)的電流、電壓、溫度等參數(shù)，靈敏度高，可靠性高，功能多，調(diào)試方便，保 護(hù)動(dòng)作后故障種類一目了然，既減少了電機(jī)的損壞，又極大方便了故障的判斷， 有利于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的故障處理和縮短恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)間。另外，利用電機(jī)氣隙磁場(chǎng)進(jìn) 行電機(jī)偏

53、心檢測(cè)技術(shù)，使電機(jī)磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)成為可能，通過曲線顯示電機(jī) 偏心程度的變化趨勢(shì)，可早期發(fā)現(xiàn)軸承磨損和走內(nèi)圓、走外圓等故障，做到早 發(fā)現(xiàn)，早處理，避免掃膛事故發(fā)生。 合理選用電機(jī)保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)既能充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力，又能免于損 壞，從而提高電力拖動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性。具體的功能選擇應(yīng)綜合 考慮電機(jī)的本身的價(jià)值、負(fù)載類型、使用環(huán)境、電機(jī)主體設(shè)備的重要程度、電 機(jī)退出運(yùn)行是否對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響等因素，力爭(zhēng)做到經(jīng)濟(jì)合理。 理想的電機(jī)保護(hù)器不是功能最多，也不是所謂最先進(jìn)的，而是應(yīng)該滿足現(xiàn) 場(chǎng)實(shí)際需求，做到經(jīng)濟(jì)性和可靠性的統(tǒng)一，具有較高的性能價(jià)格比。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng) 的實(shí)際情況合理地選擇保護(hù)器的

54、種類、功能，同時(shí)考慮保護(hù)器安裝、調(diào)整、使 用簡(jiǎn)單方便，更重要的是要選擇高質(zhì)量的保護(hù)器。 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的常見類型： 1、熱繼電器：普通小容量交流電機(jī)，良好工作條件，不存在頻繁啟動(dòng)等惡 劣工況，由于精度差，可靠性不能保證，不推薦使用。 2、電子型：檢測(cè)三相電流值，整定電流值采用電位器旋鈕或拔碼開關(guān)操作， 電路一般采用模擬式，采用反時(shí)限或定時(shí)限工作特性。保護(hù)功能包括過載、缺 相、堵轉(zhuǎn)等故障保護(hù)，故障類型采用指示燈顯示，運(yùn)行電量采用數(shù)碼管顯示。 3、智能型：檢測(cè)三相電流值，保護(hù)器使用單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)智能化綜合 保護(hù)，集保護(hù)、測(cè)量、通訊、顯示為一體。整定電流采用數(shù)字設(shè)定，通過操作 面板按鈕來操作，用戶

55、可以根據(jù)自己實(shí)際使用要求和保護(hù)情況在現(xiàn)場(chǎng)自行對(duì)各 種參數(shù)修正設(shè)定，采用數(shù)碼管作為顯示窗口，或采用大屏幕液晶顯示，能支持 多種通訊協(xié)議，如 modbus、profibus 等，價(jià)格相對(duì)高些，用于較重要場(chǎng)合，目 前高壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)均采用智能型。 4、熱保護(hù)型：在電動(dòng)機(jī)中埋入熱元件，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的溫度進(jìn)行保護(hù)，保護(hù) 效果好，但電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，需與電流監(jiān)測(cè)型配合使用，避免電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí) 溫度急劇上升，由于測(cè)溫元件的滯后性，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組受損。 5、磁場(chǎng)溫度檢測(cè)型：在電動(dòng)機(jī)中埋入磁場(chǎng)檢測(cè)線圈和溫度探頭，根據(jù)電動(dòng) 機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化和溫度的變化進(jìn)行保護(hù)，主要功能包括過載、堵轉(zhuǎn)、缺 相、過熱保護(hù)和磨損監(jiān)測(cè)，保

56、護(hù)功能完善，缺點(diǎn)是需在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝磁場(chǎng)檢 測(cè)線圈和溫度傳感器。 第三節(jié)第三節(jié) 準(zhǔn)確定位準(zhǔn)確定位 傳統(tǒng)的電動(dòng)閥門在異步電機(jī)通電后，會(huì)很快達(dá)到其額定動(dòng)作速度，當(dāng)接近 停止位置時(shí)，電機(jī)斷電后，由于機(jī)械慣性，其閥不可能立即停下來， 會(huì)出現(xiàn)不 同程度的超程，這一超程通常采用控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)來校正。智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 是根據(jù)當(dāng)前位置與給定位置的差值， 以及運(yùn)行速度的大小超前確定減速點(diǎn)的位 置及減速段變化速率 ki， 使閥門在較低的速度下實(shí)現(xiàn)精確的微調(diào)和定位，從 而將超程降到最低。 調(diào)節(jié)閥在現(xiàn)代化工廠的自動(dòng)控制中，調(diào)節(jié)閥起著十分重要的作用，這些工 廠的生產(chǎn)取決于流動(dòng)著的液體和氣體的正確分配和控制。這些控制無論

57、是能量 的交換、壓力的降低或者是簡(jiǎn)單的容器加料，都需要某些最終控制元件去完 成。最終控制元件可以認(rèn)為是自動(dòng)控制的“體力” 。在調(diào)節(jié)器的低能量級(jí)和執(zhí)行 流動(dòng)流體控制所需的高能級(jí)功能之間，最終控制元件完成了必要的功率放大作 用。 調(diào)節(jié)閥是最終控制元件的最廣泛使用的型式。其他的最終控制元件包括計(jì) 量泵、調(diào)節(jié)擋板和百葉窗式擋板(一種蝶閥的變型)、可變斜度的風(fēng)扇葉片、電 流調(diào)節(jié)裝置以及不同于閥門的電動(dòng)機(jī)定位裝置。 盡管調(diào)節(jié)閥得到廣泛的使用，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的其它單元大概都沒有像它那樣 少的維護(hù)工作量。在許多系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥經(jīng)受的工作條件如溫度、壓力、腐蝕 和污染都要比其它部件更為嚴(yán)重，然而，當(dāng)它控制工藝流體的流

58、動(dòng)時(shí)，它必須 令人滿意地運(yùn)行及最少的維修量。 調(diào)節(jié)閥在管道中起可變阻力的作用。它改變工藝流體的紊流度或者在層流 情況下提供一個(gè)壓力降，壓力降是由改變閥門阻力或“摩擦”所引起的。這一 壓力降低過程通常稱為“節(jié)流” 。對(duì)于氣體，它接近于等溫絕熱狀態(tài)，偏差取決 于氣體的非理想程度(焦耳一湯姆遜效應(yīng))。在液體的情況下，壓力則為紊流或 粘滯摩擦所消耗，這兩種情況都把壓力轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度略為升高。 常見的控制回路包括三個(gè)主要部分，第一部分是敏感元件，它通常是一個(gè) 變送器。它是一個(gè)能夠用來測(cè)量被調(diào)工藝參數(shù)的裝置，這類參數(shù)如壓力、液位 或溫度。變送器的輸出被送到調(diào)節(jié)儀表調(diào)節(jié)器，它確定并測(cè)量給定值或期 望值與工藝參數(shù)的實(shí)際值之間的偏差，一個(gè)接一個(gè)地把校正信號(hào)送出給最終控 制元件調(diào)節(jié)閥。閥門改變了流體的流量，使工藝參數(shù)達(dá)到了期望值。 在氣動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器輸出的氣動(dòng)信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)彈簧一薄膜式執(zhí) 行機(jī)構(gòu)或