1、1欲 得 到 本 设 计 全 部 说 明 书 联 系QQ229780692唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：机电一体化中电动执行机构的控制与保护系 别： 机电系 班 级： 10 级机电一体化 姓 名： 指 导 教 师： 2012 年 11 月 3 日题 目 机电一体化中电动执行机构的控制与保护专 业 机 电 一 体 化 班 级 2010 级 学 生 姓 名承 担 指 导 任 务 单 位 导 师 姓 名 导 师 职 称 髙 讲一 、 毕 业 设 计 内 容依 据 机 电 一 体 化 技 术 的 发 展 前 景 ， 提 出 一 种 新 型 电 动 执 行 机 构 的 设 计 方 案 ， 详 细
2、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 。 该 执 行 机 构 将 阀 门 、 伺 服 电 机 、 控 制 器 合 为 一 体 ， 采 用8031 单 片 机 、 变 频技 术 实 现 了 阀 门 的 动 作 速 度 和 位 置 控 制 ， 解 决 了 阀 门 的 精 确 定 位 、 阀 门 柔 性 开关 、 极限 位 置 判 断 、 电 机 保 护 及 模 拟 信 号 隔 离 等 技 术 问 题 。 现 场 运 行 情 况 表 明 ， 该电 动 执 行机 构 具 有 动
3、 作 快 、 保 护 完 善 以 及 便 于 和 计 算 机 通 讯 等 优 点 ， 充 分 利 用 了 机 电 一 体 化 技术 带 来 的 方 便 快 捷 。二 、 基 本 要 求1. 完成采用双环控制方案设计，其中内环为速度环，外环为位置环。2. 完成控 制 系 统 功 能 元 件 单 片 机 、 三相 PWM 波发生器、智能逆变模块、位置、电压、电流及检测电路、时钟电路、液晶显示单元的 选 型 与 设 计 。三 、 设 计 组 成 ： 图 6 张 ， 说 明 书 19 页四 、 应 收 集 的 资 料 及 参 考 文 献 ： 1 邓 兵 ， 等 数 字 阀 门 电 动 执 行 机 构
4、J 自 动 化 仪 表 ， 2001(1) 2 Antsaklis PJ Intelligence andlearning J IEEEControl Syst Mag， 1995(15) 3 王 福 瑞 ， 等 单 片 机 微 机 测 控 系 统 设 计 大 全 M 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ，1999， 9 249 4 陈 玉 红 一 种 简 单 实 用 的 线 性 光 隔 离 放 大 器 J 漳 州 师 范 学 院 学 报 (自 然科 学 版 )， 1999(4)五 、 进 度 计 划 ：2012 年 9 月 2 日 ： 进 行 毕 业 设 计 指 导 ， 组 织 学
5、员 选 择 设 计 题 目 。2012 年 9 月 2 日 10 日 ： 审 定 学 员 毕 业 设 计 大 纲 ， 发 放 毕 业 设 计 任 务 书 。2012 年 9 月 11 日 17 日 ： 审 查 学 员 毕 业 设 计 开 题 报 告 ， 开 始 撰 写 毕 业 设 计 。2012 年 9 月 18 日 10 月 6 日 ： 学 员 组 织 材 料 ， 撰 写 初 稿 。2012 年 10 月 7 日 14 日 ： 审 查 初 稿 ， 指 导 学 员 修 改 论 文 。2012 年 10 月 15 日 20 日 ： 进 行 二 次 论 文 修 改 指 导 、 定 稿 。2012
6、年 10 月 21 日 25 日 ： 审 订 论 文 格 式 ， 告 知 打 印 一 式 两 份 。2012 年 10 月 26 日 11 月 3 日 ： 最 终 定 稿 ， 告 知 准 备 论 文 答 辩 。教研组主任签字 时 间 年 月 日唐山学院毕业设计开题报告题 目 机电一体化中电动执行机构的控制与保护专 业 机电一体化 班级 2010 级 学生姓名一、文献综述1.机电一体化技术发展历程及其趋向在现代化生产过程控制中，执行机构起着十分重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段落后、机械传动配电柜，具有机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性
7、差等问题。鉴于以上原因，采用传统的大流量电动执行机构的控制系统，可靠性和稳定性较差。笔者设计的大流量电动执行机构，采用机电一体化技术，将阀门、伺服电机、控制器合为一体，利用异步电动机直接驱动阀门的开与关。通过内置变频器，采用模糊神经网络，实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转矩等控制。机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。2.机电一体化中电动执行机构的硬件设计及工作原理。智能执行机构从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。控制部
8、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报电机和位置传感器。（1）控制系统各功能元件的选型与设计1)单片机 选用 INTEL 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；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。2)三相 PWM 波发生器 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
9、整个系统的检测、保护、控制等功能，文中选用 MITEL 公司生产的 SA8282 作为三相 PWM 发生器。3)智能逆变模块IPM 为了满足执行机构体积小，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。4)位置检测电路 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。5)电压、电流及检测 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
10、 输出的三相电流，对于 IPM 输出电压的检测采用分压电路。3. 机电一体化中阀位及速度控制原理采用双环控制方案，其中内环为速度环，外环为位置环。速度环主要将当前速度与速度给定发生器送来的设定速度相比较，通过速度调节器改变 PWM 波发生器载波频率，实现电机的转速调节。速度调节器采用模糊神经网络控制算法(具体内容另文叙述)。外环主要根据当前位置速度的设定，通过速度给定发生器向内环提供速度的设定值。由于大流量阀执行机构在运行过程中存在加速、匀速、减速等阶段。各阶段的时间长短、加速度的大小、在何位置开始匀速或减速均与给定位置、当前位置以及运行速度有关。速度给定发生器的工作原理为：通过比较实际阀位与
11、给定阀位，当二者不相等时，以恒定加速度加速，减速点根据当前速度、阀位值、阀位给定值的大小计算得来。4. 关键技术问题的解决该执行机构解决的关键性技术问题主要有：1)阀门柔性开关 柔性开关主要是为了当阀关闭或全开时，保证阀门不卡死与损伤。执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，通过计算，得出其输出力矩。一旦输出力矩达到或大于设定的力矩，自动降低速度，实现过力矩保护。2)阀位的极限位置判断 阀位的极限位置是指全开和全关位置。在传统执行机构中，该位置的检测是通过机械式限位开关获得的。机械式限位开关精度低，在运行中易松动，可靠性差。在文中，电动执行机构极限位置通过检测位置信号的增量获得。
12、其原理是，单片机将本次检测的位置信号与上次检测的信号相比较，如果未发生变化或变化较小，即认为己达到极限位置，立即切断异步电机的供电电源，保证阀门的安全关闭或全开。省去了机械式限位开关，无需在调试时对其进行复杂的调整。3)电机保护的实现 为了防止电机因过热而烧毁，单片机通过温度传感器连续检测电机的实际运行温度，如果温度传感器检测到电机温度过高，自动切断供电电源。温度传感器内置于电机内部。4)准确定位 传统的电动执行机构在异步电机通电后会很快达到其额定动作速度，当接近停止位置时，电机断电后，由于机械惯性，其阀门不可能立即停下来，会出现不同程度的超程，这一超程通常采用控制电机反向转动来校正。机电一体
13、化的大流量电动执行机构根据当前位置与给定位置的差值以及运行速度的大小超前确定减速点的位置及减速段变化速率，使阀门在较低的速度下实现精确的微调和定位，从而将超程降到最低。5)模拟信号的隔离。对于变频器的直流电压以及输出的三相电压，它们之间的地址不一致，存在着较高的共模电压，为了保证系统的安全性，必须将它们彼此相互隔离。采用 LM358 和4N25 组成了隔离线性放大电路。3.本设计的特点本设计方案简洁、明亮、大方，在满足使用要求前提下尽量选择合理、合适的材料、设计方法，以期待减小企业购买以及使用过程中的成本，达到较佳的经济效益。谈到经济效益，即有设计和制造的经济效益，也有使用中的经济效益。如果结
14、构方案比较复杂，那设计及制造费用就高，但使用中的费用就偏低。指导教师签字 时 间 2012 年 9 月 17 日唐山学院毕业设计评语及成绩学 生 姓 名 专 业 机电一体化 班 级 2010 级 学 号毕 业 设 计 题 目 机电一体化中电动执行机构的控制与保护指 导 教 师 姓 名 指 导 教 师 职 称 髙 讲指 导 教 师 评 语 ：论 文 设 计 方 案 合 理 、 简 洁 ， 在 满 足 使 用 的 前 提 下 ， 从 材 料 选 择 ， 到 设 计 方法 ， 处 处 体 现 了 节 约 节 约 、 降 低 成 本 ， 降 低 消 耗 的 设 计 理 念 ， 为 企 业 提 高了 经
15、 济 效 益 。 具 有 动 作 快 、 保 护 完 善 以 及 便 于 和 计 算 机 通 讯 等 优 点 ， 充 分 利 用了 机 电 一 体 化 技 术 带 来 的 方 便 快 捷 。专 家 评 语 ：签 字 ：年 月 日答 辩 小 组 意 见 ：答 辩 小 组 组 长 签 字 ：年 月 日成 绩 ：院 长 （ 主 任 ） 签 字 ：年 月 日1目 录内 容 摘 要 1插 图 索 引 2引 言 3第 1 章 机电一体化技术发展历程及其趋向 411 机电一体化技术发展历程 412 机电一体化发展趋向 4第 2 章 机电一体化中电动执行机构的硬件设计及工作原理 72.1 系统工作原理 .72
16、.2 控制系统各功能元件的选型与设计 .7第 3 章 机电一体化中阀位及速度控制原理 11第 4 章 关键技术问题的解决 13第 5 章 机电一体化中继电器保护的现状与发展 155.1 继电保护发展现状 .155.2 继电保护的未来发展 .165.2.1 计算机化 165.2.2 网络化 175.2.3 保护、控制、测量、数据通信一体化 185.2.4 智能化 19结束语 201内容摘要依据机电一体化技术的发展前景，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。该执行机构将阀门、伺服电机、控制器合为一体，采用 80
17、31 单片机、变频技术实现了阀门的动作速度和位置控制，解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置判断、电机保护及模拟信号隔离等技术问题。现场运行情况表明，该电动执行机构具有动作快、保护完善以及便于和计算机通讯等优点，充分利用了机电一体化技术带来的方便快捷。关键词：电动机阀门 继电器保护 机电一体化技术总结唐 山 学 院 毕 业 设 计2插 图 索 引图 2-1 电动执行机构控制系统框图7图 2-2 IPM 输出电流、电压检测 9图 2-3 程序出格自恢复电路 10图 3-1 阀位及速度控制原理框图 11图 3-2 执行机构的典型运行速度图 11图 4-1 线性隔离放大器 14唐 山 学 院 毕 业 设 计3
