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

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

本文講解一種變頻調(diào)速電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動執(zhí)行器）的設(shè)計及工作原理，其電機(jī)是通過內(nèi)部集成的一體化變頻器來控制，同一臺執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在設(shè)定不同的運行速度和關(guān)斷力矩。該智能變頻電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動執(zhí)行器）采用了液晶顯示技術(shù)，它利用內(nèi)置的液晶器，不僅可以顯示閥門的開、關(guān)狀態(tài)和正常運行時閥門的開度，還可以通過菜單選擇運行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能顯示出故障信息。電動執(zhí)行器要實現(xiàn)高質(zhì)量和高精度的控制，首先對控制信號微小變化反應(yīng)靈敏；實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)好，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行速度必須和控制信號幅度成比例；要克服系統(tǒng)靜差，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有以低速運行通過*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執(zhí)行器是難以滿足上述要求的。 

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

    智能型變頻電動執(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)有的電動執(zhí)行器使之具有智能化、變速運行、動態(tài)響應(yīng)好、調(diào)節(jié)定位精度高、穩(wěn)定性好、故障率低、壽命長及應(yīng)用場合更加廣泛的特點。 

    智能型變頻電動執(zhí)行器與各種閥體配合，可以構(gòu)成各類智能型變頻電動調(diào)節(jié)閥。這類電動調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)過程中，閥芯其運行速度是變化的，在輸入信號和閥位反饋信號偏差較大時，比普通電動調(diào)節(jié)閥快，加速調(diào)節(jié)作用。但隨著輸入信號和閥位反饋信號偏差減小，閥電機(jī)速度會變慢，閥芯的運動速度也會隨之下降。越接近平衡點閥電機(jī)速度會越慢。在平衡點附近閥門會一點點打開或關(guān)閉，具有*的微調(diào)作用，其結(jié)果是大大提高了閥門的控制精度。 

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

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

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

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

二、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動執(zhí)行器）的硬件設(shè)計及工作原理

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、故障檢測和報警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動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到的逆變模塊三相輸出電流、電壓及閥門的位置信號，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，實現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對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：單片機(jī)選用IN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)的信號處理：接收系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩、閥門開啟、關(guān)閉及閥門開度等設(shè)定信號，并提供三相PWM波發(fā)生器所需要的控制信號；處理IPM發(fā)出的故障信號和報警信號；處理通過模擬輸入口接收的電流、電壓、位置等檢測信號；提供顯示電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）的工作狀態(tài)信號；執(zhí)行控制系統(tǒng)來的控制信號，向控制系統(tǒng)反饋信號。

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)動電路、制動電路于一體，并內(nèi)置過電流、短路、欠電壓和過熱保護(hù)以及報警輸出，是一種高性能的功率開關(guān)器件。

時鐘電路。時鐘電路主要用來提供采樣與控制周期、速度計算時所需要的時間以及日歷。文中選用時鐘電路DS12887。DS12887內(nèi)部有114字節(jié)的用戶非易失性RAM，可用來存入需保存的數(shù)據(jù)。液晶顯示單元。為了實現(xiàn)人機(jī)對話功能，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，可分別對閥門、力矩、限位、電機(jī)、通訊和參數(shù)等信號進(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)干擾下程序出格時系統(tǒng)能夠自動地恢復(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)字模型用計算機(jī)算出各切換點，并存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的計算產(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，保證微處理器有足夠的時間進(jìn)行整個系統(tǒng)的檢測、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。

位置檢測電路。位置檢測電路是執(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。關(guān)鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）中多采用繞線電位器、差動變壓器、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，但它是有觸點的，壽命也不可能很長，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。

通訊接口。為了實現(xiàn)計算機(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*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)送來的RS－232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平給8031，實現(xiàn)單片機(jī)與其它微機(jī)間的通訊。

電壓、電流及檢測。檢測電壓、電流主要是為了計算電機(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IPM輸出的三相電流，對于IPM輸出電壓的檢測采用分壓電路。

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)視程序運行。

三、關(guān)鍵技術(shù)問題的解決

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：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的隔離。對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。控制系統(tǒng)由閥位給定和閥位反饋信號構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，控制特性視運行方式、速度而定，并具有自動過流保護(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)（執(zhí)行器）解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主要有：閥門柔性開關(guān)。柔性開關(guān)主要是為了當(dāng)閥關(guān)閉或全開時，保證閥門不卡死與損傷。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）內(nèi)部的微處理器根據(jù)測得的變頻器輸出電壓和電流，通過計算，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，自動降低速度，以避免閥門內(nèi)部過度的撞擊，從而達(dá)到*關(guān)閉，實現(xiàn)過力矩保護(hù)。

電機(jī)保護(hù)的實現(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)檢測電機(jī)的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機(jī)溫度過高，自動切斷供電電源。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，在運行中易松動，可靠性差。在文中，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）極限位置通過檢測位置信號的增量獲得。其原理是，單片機(jī)將本次檢測的位置信號與上次檢測的信號相比較，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)試時對其進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整。

準(zhǔn)確定位。傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）在異步電機(jī)通電后會很快達(dá)到其額定動作速度，當(dāng)接近停止位置時，電機(jī)斷電后，由于機(jī)械慣性，其閥門不可能立即停下來，會出現(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)動來校正。機(jī)電一體化的大流量電動執(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行速度的大小超前確定減速點的位置及減速段變化速率ki，使閥門在較低的速度下實現(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