智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器如何工作 智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器工作 智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器

一、之前介紹組合式減壓閥在國(guó)華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器如何工作前言

本文講解一種變頻調(diào)速電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)執(zhí)行器）的設(shè)計(jì)及工作原理，其電機(jī)是通過(guò)內(nèi)部集成的一體化變頻器來(lái)控制，同一臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在設(shè)定不同的運(yùn)行速度和關(guān)斷力矩。該智能變頻電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)執(zhí)行器）采用了液晶顯示技術(shù)，它利用內(nèi)置的液晶器，不僅可以顯示閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)和正常運(yùn)行時(shí)閥門(mén)的開(kāi)度，還可以通過(guò)菜單選擇運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能顯示出故障信息。電動(dòng)執(zhí)行器要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高精度的控制，首先對(duì)控制信號(hào)微小變化反應(yīng)靈敏；實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度必須和控制信號(hào)幅度成比例；要克服系統(tǒng)靜差，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有以低速運(yùn)行通過(guò)*的微調(diào)作用才能修正給定值微小偏差。顯然，不具有變速功能的電動(dòng)執(zhí)行器是難以滿足上述要求的。 

    智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器如何工作智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥性能 

    智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器是利用數(shù)字化變頻、單片機(jī)技術(shù)，改造目前現(xiàn)有的電動(dòng)執(zhí)行器使之具有智能化、變速運(yùn)行、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、調(diào)節(jié)定位精度高、穩(wěn)定性好、故障率低、壽命長(zhǎng)及應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛的特點(diǎn)。 

    智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器與各種閥體配合，可以構(gòu)成各類(lèi)智能型變頻電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。這類(lèi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)過(guò)程中，閥芯其運(yùn)行速度是變化的，在輸入信號(hào)和閥位反饋信號(hào)偏差較大時(shí)，比普通電動(dòng)調(diào)節(jié)閥快，加速調(diào)節(jié)作用。但隨著輸入信號(hào)和閥位反饋信號(hào)偏差減小，閥電機(jī)速度會(huì)變慢，閥芯的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)隨之下降。越接近平衡點(diǎn)閥電機(jī)速度會(huì)越慢。在平衡點(diǎn)附近閥門(mén)會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)打開(kāi)或關(guān)閉，具有*的微調(diào)作用，其結(jié)果是大大提高了閥門(mén)的控制精度。 

（一）智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速技術(shù)的主要特點(diǎn)： 

1 ．采用外接模擬信號(hào)來(lái)控制速度可以獲得理想調(diào)節(jié)效果 

    智能型變頻電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)內(nèi)置智能化控制模塊向變頻器提供的模擬速度信號(hào)控制， 再通過(guò)變頻器控制伺服電機(jī)以不同的速度運(yùn)行。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)借助這一速度控制信號(hào)，會(huì)以較低的速度在設(shè)定值附近啟、閉閥門(mén)可有效防止管道內(nèi)壓力的劇烈波動(dòng)。若干擾使被調(diào)參數(shù)與設(shè)定值偏離較大時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將以極快的速度操作閥門(mén)克服干擾并可逐漸避免空穴作用造成的危險(xiǎn)即可保護(hù)管道和閥門(mén)免受過(guò)壓和磨損。 

2 ．電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用智能控制器來(lái)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程*化減少電機(jī)起停次數(shù)，減少閥門(mén)磨損內(nèi)置智能控制模塊是一種自適應(yīng)多功能控制器。
智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速技術(shù)使動(dòng)作過(guò)程始終隨控制信號(hào)和閥位反饋信號(hào)偏差自適應(yīng)調(diào)整。這可確保以小的啟停次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高的控制精度，從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程*化，并因起停次數(shù)的減少而減少閥門(mén)的磨損。 

二、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)執(zhí)行器）的硬件設(shè)計(jì)及工作原理

智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C(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)部分主要包括三相伺服電機(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(mén)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(guò)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)：?jiǎn)纹瑱C(jī)選用IN公司生產(chǎn)的8031單片機(jī)，它主要通過(guò)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(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉及閥門(mén)開(kāi)度等設(shè)定信號(hào)，并提供三相PWM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(guò)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)（執(zhí)行器）的工作狀態(tài)信號(hào)；執(zhí)行控制系統(tǒng)來(lái)的控制信號(hào)，向控制系統(tǒng)反饋信號(hào)。

智能逆變模塊IPM。為了滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）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)（執(zhí)行器）主要適用功率小于5.5kW的三相異步電機(jī)，其額定電壓為380V，功率因數(shù)為0.75。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(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路、制動(dòng)電路于一體，并內(nèi)置過(guò)電流、短路、欠電壓和過(guò)熱保護(hù)以及報(bào)警輸出，是一種高性能的功率開(kāi)關(guān)器件。

時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路主要用來(lái)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字節(jié)的用戶非易失性RAM，可用來(lái)存入需保存的數(shù)據(jù)。液晶顯示單元。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(guò)菜單選擇，可分別對(duì)閥門(mén)、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。程序出格自恢復(fù)電路。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。

三相PWM波發(fā)生器。PWM波的產(chǎn)生通常有模擬和數(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(guò)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MI公司生產(chǎn)的SA8282作為三相PWM發(fā)生器。SA8282是大規(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。

位置檢測(cè)電路。位置檢測(cè)電路是執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）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(wèn)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)（執(zhí)行器）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)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(wú)觸點(diǎn)的，且具有精度高、無(wú)線性區(qū)限制、穩(wěn)定性高、無(wú)溫度限制等特點(diǎn)。

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)*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(jī)送來(lái)的RS－232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。

電壓、電流及檢測(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0～50Hz，采用常規(guī)的電流、電壓互感器無(wú)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。

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(mén)輸入引腳2變?yōu)楦唠娖?，引腳2電平的這種變化使“與非”門(mén)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(guò)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(yùn)行。

三、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的解決

上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(組合式減壓閥,可調(diào)式減壓閥,自力式減壓閥模擬信號(hào)的隔離。對(duì)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，必須將它們彼此相互隔離。采用LM358和4N25組成了隔離線性放大電路。

該電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）采用了的變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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?？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(guò)流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、超壓、欠壓、過(guò)熱、缺相、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）解決的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題主要有：閥門(mén)柔性開(kāi)關(guān)。柔性開(kāi)關(guān)主要是為了當(dāng)閥關(guān)閉或全開(kāi)時(shí)，保證閥門(mén)不卡死與損傷。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）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(guò)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(mén)內(nèi)部過(guò)度的撞擊，從而達(dá)到*關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)過(guò)力矩保護(hù)。

電機(jī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。為了防止電機(jī)因過(guò)熱而燒毀，單片機(jī)通過(guò)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(guò)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。

閥位的極限位置判斷。閥位的極限位置是指全開(kāi)和全關(guān)位置。在傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）中，該位置的檢測(cè)是通過(guò)機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)獲得的。機(jī)械式限位開(kāi)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)（執(zhí)行器）極限位置通過(guò)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，立即切斷異步電機(jī)的供電電源，保證閥門(mén)的安全關(guān)閉或全開(kāi)。省去了機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)，無(wú)需在調(diào)試時(shí)對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。

準(zhǔn)確定位。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）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，其閥門(mén)不可能立即停下來(lái)，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(lái)校正。機(jī)電一體化的大流量電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）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(mén)在較低的速度下實(shí)現(xiàn)的微調(diào)和定位，從而將超程降到低。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：200X先導(dǎo)隔膜式水用減壓閥安裝要求