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更新时间：2014-05-05 点击次数：4106次
一、智能变频调速电动执行机构的技术说明
交流三相电动机由于不存在换向片以及结构简单、工作可靠，目前装机容量上占有优势。交流电机变频调速技术是近十年伴随着功率半导体器件的出现，微电子技术，计算机技术的发展而形成的科技含量高的电机电气传动控制技术。它具有调速和节能两大优势。它使交流电机的调速功能已*达到了直流电机调速的性能。
二、智能变频调速电动执行机构的概念
变频调速电动执行器用变频器来控制电动执行器工作。变频电动执行器由变频器、伺服电机、减速器、位置反馈发送器构成。由于变频器具有调速、软起动、制动等功能，它除可以使伺服电动机工作在变频调速状态外，它还通过软起动方式，降低伺服电机起动电流，减少对电网和本身机械结构的起动冲击。通过电制动方式，可有效产生能耗制动，降低伺服电机惰走惯性，大大提高定位精度。
三、智能变频调速电动执行机构工作原理
智能执行机构（执行器）从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变器、A/D、D/A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障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机和位置传感器。
系统工作原理：霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。
控制系统各功能元件的选型与设计：单片机选用IN公司生产的8031单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构（执行器）的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号。
智能逆变模块IPM。为了满足执行机构（执行器）体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。该执行机构（执行器）主要适用功率小于5.5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0.75。经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、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器件。
时钟电路。时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路DS12887。DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM，可用来存入需长期保存的数据。液晶显示单元。为了实现人机对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择，可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式，显示直观、清晰。程序出格自恢复电路。为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用MAX705组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。
三相PWM波发生器。PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MI公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA8282是大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。
位置检测电路。位置检测电路是执行机构（执行器）的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动执行机构（执行器）中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。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。导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。
通讯接口。为了实现计算机联网和远程控制，选用MAX232作为系统的串行通讯接口，MAX232内部有两个*相同的电平转换电路，可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS－232标准电平，把其它微机送来的RS－232标准电平转换成TTL电平给8031，实现单片机与其它微机间的通讯。
电压、电流及检测。检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。
工作原理为：一旦程序出格，WDO由高变低，由于微分电路的作用，由“与非”门输入引脚2变为高电平，引脚2电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过P1.0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲，使WDO引脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行。
四、智能变频调速电动执行机构如何实现动态变速运行
变频电动执行器、变频电动阀实现动态程序预定变速运行，是在变频电动执行器内有两组变速开关，变速开关信号作为变频器的变速控制信号。两组变速开关可在全行程范围内任意设定变速开关工作点。例如，要求变频蝶阀在0~900工作过程，每300变化一种速度。调整变速反馈板使*组变速开关在300变位，第二组变速开关在600变位。在变频器内设定三种速度。0~300为*档慢速运行，300~600为第二档速度快速运行，600~900为第三档速度为慢速运行。每一档运行速度都可以任意设定。这样变频蝶阀在工作时，就会按设定的速度分三档进行工作。这种变速运行方式大多是用变频电动执行器作为遥控风门、阀门等场合。
交流三相电动机由于不存在换向片以及结构简单、工作可靠，目前装机容量上占有优势。交流电机变频调速技术是近十年伴随着功率半导体器件的出现，微电子技术，计算机技术的发展而形成的科技含量高的电机电气传动控制技术。它具有调速和节能两大优势。它使交流电机的调速功能已*达到了直流电机调速的性能。
二、智能变频调速电动执行机构的概念
变频调速电动执行器用变频器来控制电动执行器工作。变频电动执行器由变频器、伺服电机、减速器、位置反馈发送器构成。由于变频器具有调速、软起动、制动等功能，它除可以使伺服电动机工作在变频调速状态外，它还通过软起动方式，降低伺服电机起动电流，减少对电网和本身机械结构的起动冲击。通过电制动方式，可有效产生能耗制动，降低伺服电机惰走惯性，大大提高定位精度。
三、智能变频调速电动执行机构工作原理
智能执行机构（执行器）从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。控制部分主要由单片机、PWM波发生器、IPM逆变器、A/D、D/A转换模块、整流模块、输入输出通道、故障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机和位置传感器。
系统工作原理：霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的位置信号，经A/D转换后送入单片机。单片机通过8255控制PWM波发生器，产生的PWM波经光电耦合作用于逆变模块IPM，实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V电源进行全桥整流得到。
控制系统各功能元件的选型与设计：单片机选用IN公司生产的8031单片机，它主要通过并行8255口担负控制系统的信号处理：接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号，并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号；处理IPM发出的故障信号和报警信号；处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号；提供显示电动执行机构（执行器）的工作状态信号；执行控制系统来的控制信号，向控制系统反馈信号。
智能逆变模块IPM。为了满足执行机构（执行器）体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能功率模块IPM。该执行机构（执行器）主要适用功率小于5.5kW的三相异步电机，其额定电压为380V，功率因数为0.75。经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求。该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、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器件。
时钟电路。时钟电路主要用来提供采样与控制周期、速度计算时所需要的时间以及日历。文中选用时钟电路DS12887。DS12887内部有114字节的用户非易失性RAM，可用来存入需长期保存的数据。液晶显示单元。为了实现人机对话功能，选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式。通过菜单选择，可分别对阀门、力矩、限位、电机、通讯和参数等信号进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式，显示直观、清晰。程序出格自恢复电路。为了保证在强干扰下程序出格时系统能够自动地恢复正常，选用MAX705组成程序出格自恢复电路，监视程序运行。
三相PWM波发生器。PWM波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路复杂，有温漂现象，精度低，限制了系统的性能；数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，并存入内存，然后通过查表及必要的计算产生PWM波，这种方法占用的内存较大，不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块所需要的PWM波控制信号，保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用MI公司生产的SA8282作为三相PWM发生器。SA8282是大规模集成电路，具有独立的标准微处理器接口，芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息。
位置检测电路。位置检测电路是执行机构（执行器）的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置信号。关键问题是位置传感器的选型。在传统的电动执行机构（执行器）中多采用绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器等。绕线电位器寿命短被淘汰。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。导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精度也不高。笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点。
通讯接口。为了实现计算机联网和远程控制，选用MAX232作为系统的串行通讯接口，MAX232内部有两个*相同的电平转换电路，可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS－232标准电平，把其它微机送来的RS－232标准电平转换成TTL电平给8031，实现单片机与其它微机间的通讯。
电压、电流及检测。检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0～50Hz，采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。为了快速反映出电流的大小，采用霍尔型电流互感器检测IPM输出的三相电流，对于IPM输出电压的检测采用分压电路。
工作原理为：一旦程序出格，WDO由高变低，由于微分电路的作用，由“与非”门输入引脚2变为高电平，引脚2电平的这种变化使“与非”门输出一个正脉冲，使单片机产生一次复位，复位结束后，又由程序通过P1.0口向MAX705的WDI引脚发正脉冲，使WDO引脚回到高电平，程序出格自恢复电路继续监视程序运行。
四、智能变频调速电动执行机构如何实现动态变速运行
变频电动执行器、变频电动阀实现动态程序预定变速运行，是在变频电动执行器内有两组变速开关，变速开关信号作为变频器的变速控制信号。两组变速开关可在全行程范围内任意设定变速开关工作点。例如，要求变频蝶阀在0~900工作过程，每300变化一种速度。调整变速反馈板使*组变速开关在300变位，第二组变速开关在600变位。在变频器内设定三种速度。0~300为*档慢速运行，300~600为第二档速度快速运行，600~900为第三档速度为慢速运行。每一档运行速度都可以任意设定。这样变频蝶阀在工作时，就会按设定的速度分三档进行工作。这种变速运行方式大多是用变频电动执行器作为遥控风门、阀门等场合。
