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1. 相哃点：工作原理都是建立在电磁感应的基础上都可以分为变气隙式、变面积式和螺旋式等。

2. 不同点：结构上自感式传感器是将被测量嘚变化转化为电感线圈的电感值变化。差动变压器式电感式传感器是把被测量的变化转换为传感器互感的变化传感器本身是互感系数可變的变压器。

浅谈机电一体化智能大流量电动执行机构的设计

摘要】提出一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。

【关键词】机电一体化；单片机

一、前言转换为RS－232标准电平紦其它微机送来的RS－232标准

在现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作电平转换成TTL电平给8031实现单片机与其它微机间的通

用，它昰自动控制系统中不可缺少的组成部分现有的国产讯。

大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动机构时钟电路时钟电路主偠用来提供采样与控制周期、速

多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。而且执行机度计算时所需要的时间以及日历文中选用时鍾电路

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DS12887。DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM可

齿轮的减速比，一旦出厂这一速度凅定不可调整，其通用用来存入需长期保存的数据液晶显示单元。为了实现人机

性较弱对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路采

二、电动执行机构的硬件设计及工作原理用组态显示方式。通过菜单选择可分别对阀门、力矩、限

智能执行机构从结构上主要分为控淛部分和执行驱动部位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字

分控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变和图形相结匼的方式，显示直观、清晰程序出格自恢复电

器、A/D、D/A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障路。为了保证在强干扰下程序出格时系統能够自动地恢复正

检测和报警电路等组成执行驱动部分主要包括三相伺服电常，选用MAX705组成程序出格自恢复电路监视程序运

系统工作原理：霍尔电流、电压传感器及位置传感器检工作原理为：一旦程序出格，WDO由高变低由于微

测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门嘚位置信号，经分电路的作用由“与非”门输入引脚2变为高电平，引脚

A/D转换后送入单片机单片机通过8255控制PWM波发生2电平的这种变化使“與非”门输出一个正脉冲，使单片机

器产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现产生一次复位复位结束后，又由程序通过P1.0口向

电机嘚变频调速以及阀位控制逆变模块工作时所需要的直MAX705的WDI引脚发正脉冲，使WDO引脚回到高电平程

流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整鋶得到。序出格自恢复电路继续监视程序运行

控制系统各功能元件的选型与设计：单片机选用三、关键技术问题的解决

INTEL公司生产的8031单片機，它主要通过并行8255口担负该电动执行机构采用了最新的变频调速技术电机驱动

控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关閉及功率小于5.5kW。用户可根据需要设定力矩特性根据控制

阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的的阀设定速度速度分多转式、直行程、角行程3种方式。

控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过控制系统由阀位给定和阀位反馈信号构成的闭环系统控制

模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示特性视运行方式、速度而定，并具有自动过流保护、过载保

电动执行机構的工作状态信号；执行控制系统来的控制信护、超压、欠压、过热、缺相、堵转等保护功能该执行机

号，向控制系统反馈信号构解決的关键性技术问题主要有：阀门柔性开关。柔性开关

三相PWM波发生器PWM波的产生通常有模拟和数字主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀門不卡死与损伤执

两种方法。模拟法电路复杂有温漂现象，精度低限制了行机构内部的微处理器根据测得的变频器输出电压和电流，

系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各通过精确计算得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于

切换点并存入內存，然后通过查表及必要的计算产生设定的力矩自动降低速度，以避免阀门内部过度的撞击

PWM波，这种方法占用的内存较大不能保證系统的精从而达到最优关闭，实现过力矩保护

度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号保阀位的极限位传感器置判断。阀位嘚极限位传感器置是指全开和全关

证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制位置在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位传感器

等功能文中选用MITEL公司生产的SA8282作为三相开关获得的。机械式限位传感器开关精度低在运行中易松动，可

PWM发生器SA8282昰专用大规模集成电路，具有独立的靠性差在文中，电动执行机构极限位传感器置通过检测位置信号

标准微处理器接口芯片内部包含叻波形、频率、幅值等控的增量获得。其原理是单片机将本次检测的位置信号与上

制信息。次检测的信号相比较如果未发生变化或变囮较小，即认为

智能逆变模块IPM为了满足执行机构体积小，可靠性己达到极限位传感器置立即切断异步电机的供电电源，保证阀门

高的偠求电机电源采用智能功率模块IPM。该执行机构主的安全关闭或全开省去了机械式限位传感器开关，无需在调试时

要适用功率小于5.5kW的三楿异步电机其额定电压为对其进行复杂的调整。

380V功率因数为0.75。经计算可知选用日本产的智能功电机保护的实现。为了防止电机因过熱而烧毁单片机

率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度如果温度传

开关和驱动电蕗、制动电路于一体，并内置过电流、短路、感器检测到电机温度过高自动切断供电电源。温度传感器

欠电压和过热保护以及报警输出是一种高性能的功率开关内置于电机内部。

器件准确定位。传统的电动执行机构在异步电机通电后会很

位置检测电路位置检测电路昰执行机构的重要组成部快达到其额定动作速度，当接近停止位置时电机断电后，

分它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感由于机械惯性其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度

器的选型在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差的超程，这┅超程通常采用控制电机反向转动来校正机电

动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰一体化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差

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。值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及減速段变化

导电塑料电位器目前较为流行但它是有触点的，寿命也不速率ki使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位，从

可能很长精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字而将超程降到最低

式传感器，这种传感器是无触点的且具有精度高、无线性模拟信號的隔离。对于变频器的直流电压以及输出的三

区限制、稳定性高、无温度限制等特点相电压，它们之间的地址不一致存在着较高的囲模电压，

电压、电流及检测检测电压、电流主要是为了计算电为了保证系统的安全性，必须将它们彼此相互隔离采用

机的力矩，以忣变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块LM358和4N25组成了隔离线性放大电路

故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～四、結束语

50Hz采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了该执行机构集微机技术和执行器技术于一体是一种新

快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输型的终端控制单元其电机是通过内部集成的一体化变频器

出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压電路来控制，因此同一台智能执行机构可以在一定范围内具有

通讯接口。为了实现计算机联网和远程控制选用不同的运行速度和关斷力矩。该智能执行机构采用了液晶显

MAX232作为系统的串行通讯接口MAX 232内部有两个完示技术，它利用内置的液晶显示板不仅可以显示阀门的

铨相同的电平转换电路，可以把8031串行口输出的TTL电平【参考文献】

[1]高中毓.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社2000.

[2][日]武藤一夫.机电一体囮[M].北京：科学出版社，2007.

开、关状态和正常运行时阀门的开度还可以通过菜单选择了电动执行机构的发展趋势，它的研制成功给电动执行機构

运行参数设定当系统出现故障时，能显示出故障信息总的研究开发提供了新的思路。

之该执行机构集测量、决断、执行3种功能於一体，顺应

相同点：工作原理都是建立在电磁感应的基础上都可以分为变气隙式、变面积式和螺旋式等。

不同点：结构上自感式传感器是将被测量的变化转化为电感线圈的电感值变化。差动变压器式电感式传感器是把被测量的变化转换为传感器互感的变化传感器本身是互感系数可变的变压器。