機電一體電動機的控制與保護

摘 要：文章以一電動執行機構為例，介紹了電動執行機構的原件選型、設計等相關內容，并且給出了可能出現的重要問題的解決方案。希望通過文章的分析，能夠對相關工作提供參考。

關鍵詞：電動機閥門；繼電器保護；機電一體化技術

1 機電一體化中電動執行機構的硬件設計及原理

1.1 系統工作原理

由霍爾電流、電壓傳感器及位置傳感器可以檢測到三相輸出電流、電壓和閥門位置信號，這三者經過A/D轉換后由單片機處理，產生PWM波并經光電耦合作用在逆變模塊IPM上，以此實現電機的變頻調速和對閥位的控制。

1.2 控制系統各功能元件的選型與設計

（1）單片機：單片機全稱為單片微型計算機（微控制器）。與其他微處理器相比，它更強調自供應，最大優點在于其體積小可用于儀表內部。控制系統中選用了8031單片機。8031單片機是由INTEL公司出品，其在系統將完成以下信號處理工作：接收閥門開關程度信號，并發射三相PWM波發生器處理的信號。對IPM發出的不正常信號進行及時處理。對模擬輸入口接收的I和U等檢測信號進行處理，發射系統工作狀態信號。

（2）三相PWM波發生器：模擬和數字兩種方式均可產生PWM波。MITEL公司生產的SA8282三相PWM波發生器，不僅可以使PWM波控制信號達到智能功率模塊的高要求，還能保證微處理器進行執行檢測、控制等功能需要的時間。

（3）智能逆變模塊IPM：電機電源通常選用智能功率模塊IPM來，這是因為執行機構的體積小，可靠性高。日本制造的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統中三相異步電機對功率小于5.50kW，380V額定電壓，0.750功率因數的要求。這種功率模塊的高性能性表現在集和功率開關和驅動、制動電路于一身的同時，實現了對電路問題和高溫問題的保護及報警信號輸出功能。

（4）位置檢測電路：位置檢測電路為執行機構提供位置信號，在執行機構中占據著重要地位。選擇一個什么型號的位置傳感器直接影響整個信號傳輸過程。在該案例中選用的是脈沖數字式傳感器，它克服了以往的電動執行機構中繞線電位器壽命短，差動變壓器線性區太短和溫度特性不理想等問題。導電塑料電位器雖然被選用的多，但存在精度欠佳的缺點。而脈沖數字式傳感器是高精度和高穩定性且無線性區限制、溫度限制的無觸點新型傳感器，能夠達到對位置檢測電路的要求。

（5）電壓、電流及檢測：通過電壓和電流可以得到電機的力矩，

并且檢查電機可能出現的問題，如斷相保護、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，不能滿足變頻器的需求。

（6）通訊接口：系統的串行通訊接口必須采用MAX232，計算機才能聯網和遠程控制。

（7）時鐘電路：時鐘電路即提供時間及日歷的電路，在計算速度與周期控制、采樣時起很大的作用。該案例中選用的DS12887時鐘電路，其特點是含有不易丟失的RAM，保障在長期使用中有充足的存儲空間和有效數據。

（8）液晶顯示單元：控制系統對實現人機對話提出了全新的挑戰，采用MGLS12832液晶顯示模塊使該項難題變成可能。組態顯示的MGLS12832液晶顯示模塊，可以建立選擇菜單，在菜單中對力矩、電機、閥門、限位、參數以及通訊等信號作出數值域的預設以便之后對這些參數進行設置或調試。并且液晶顯示屏可以將繁瑣的數據可以以文圖結合的方式生動直觀地呈現出來。

（9）程序出格自恢復電路：MAX705組成程序出格自恢復電路與

強干擾作用下實現的系統工作狀況相同，并呈現出自動化、快速化的特征，對有效監視程序起到了良好的作用。

工作原理為：程序出格時WDO由高變低，通過微分電路，由“與非”門輸入引腳2變為高電平。從而致使“與非”門輸出一個正脈沖，單片機接著產生一次復位。復位結束后，又由程序通過P1.0口向MAX705的WDI引腳發正脈沖，WDO引腳接著回到高電平，程序出格自恢復電路繼續監視程序運行。

2 機電一體化中閥位及速度控制原理

機電一體化中對閥位和速度的控制為雙環控制，速度環在內，位置環在外。內環的功能是將當前實際速度比較設置的定值速度，并利用速度調節器將PWM波發生器載波頻率進行協調完成電機轉速的調節。其中速度給定發生器的速度值是通過比較實際閥位與給定閥位，用恒定加速度加速，減速點加之當前速度、閥位值、閥位給定值的大小計算得來。

速度調節器采用模糊神經網絡控制算法（具體內容另文敘述）。任意時刻的速度給定值為：

vi=v（i-1）+ki×Ts

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

3 關鍵技術問題的解決

（1）閥門柔性開關：事先設定參數后，系統可以利用柔性開關在閥門接近全關和全開兩個極限位置時開始點動逼近，借此可有效避免對閥門造成過強的沖擊并提高關閉的精度。同時利用執行機構的微處理器工作時的輸出力矩，這一過程的實現需要對變頻器輸出電壓和電流進行實時監控。

（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的關鍵位置，是較為明確的工作位置。處于全開或全關時的位置。文章中，電動執行機構極限位置通過檢測位置信號的增量獲得，改變了傳統機械式限位開關精度低、不牢固、可靠性差的情況。

（3）電機保護的實現：單片機利用溫度傳感器對實際運行溫度的持續觀測在出現過高溫度時自動斷電，從而有效避免電機溫度過高而燒毀。這也是溫度傳感器內置在電機內部的最終決定因素。

（4）準確定位：傳統的電動執行機構工作速度快，幾乎在異步電機通電的同時完成，現代電機工作速度卻遠不及傳統電動執行機構，電機自動切斷電源后閥門往往由于機械慣性不能及時停下，造成需要控制電機方向轉動來糾正超程的情況，機電一體化的電動執行機構則能夠實現閥門最后過程中的精確定位，從而實現最大限度減小超程。

（5）模擬信號的隔離：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，在受到輕微擾動時，就會產生反向偏離虛地現象。也就是說，輸入端的電位與輸出端電位變化成反比關系，輸入端電位降低，輸出端電位就會相應增高，直接削弱了光電耦合器的發電強度，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。

4 結束語

綜上所述，智能執行機構憑借其液晶顯示技術是測量、決斷、執行3合1的創新成果。機械發展漸漸走向模塊化、網絡化、智能化、自動化、綠色化。這樣的時代背景下，智能執行機構在順應科學技術飛速發展和對生產安全不斷要求的同時，為電動執行機構的研究開發開拓了一條新的道路。