本文分析了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有同類產(chǎn)品基礎(chǔ)上，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)，開(kāi)發(fā)了集執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元調(diào)節(jié)控制單元、現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表等為一體的機(jī)電一體化現(xiàn)場(chǎng)總線型智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文主要論述變頻調(diào)速在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。

　　智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的執(zhí)行單元。它以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)控制閥門的位置。本文分析了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有同類產(chǎn)品基礎(chǔ)上，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)，開(kāi)發(fā)了集執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元調(diào)節(jié)控制單元、現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表等為一體的機(jī)電一體化現(xiàn)場(chǎng)總線型智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)檢測(cè)部分�？刂撇糠种饕�由單片機(jī)、EPROM、PWM發(fā)生器、IGBT逆變器、整流模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道等組成;執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分主要包括執(zhí)行電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)部分。本文主要論述變頻調(diào)速在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。

　　目前，變頻調(diào)速已廣泛應(yīng)用于石油化工、家電等諸多領(lǐng)域，在變頻調(diào)速的控制理論不斷發(fā)展的同時(shí)，與之相應(yīng)的控制手段和技術(shù)也朝著數(shù)字化與軟件化方向迅速發(fā)展。電力電子技術(shù)的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化方向發(fā)展。所以變頻器在滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的同時(shí)，減小體積、簡(jiǎn)化控制、降低成本是目前面臨的問(wèn)題之一。當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的控制方法雖然控制效果比較好，但過(guò)于復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)的變頻器專門針對(duì)小功率電機(jī)，具有體積小，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1、變頻驅(qū)動(dòng)閥門調(diào)節(jié)的意義

　　要實(shí)現(xiàn)閥位的精確、快速調(diào)節(jié)，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)既能帶動(dòng)閥門緩慢啟動(dòng)，啟動(dòng)階段結(jié)束后又能逐漸升速，縮短響應(yīng)時(shí)間，提高調(diào)節(jié)速度，在接近設(shè)定閥位時(shí)又能降低速度，緩慢到達(dá)指定位置而無(wú)超調(diào)，在帶動(dòng)閥門至全關(guān)和全開(kāi)位置時(shí)，既能避免閥門打開(kāi)過(guò)度或卡死等現(xiàn)象，也能保證其完全打開(kāi)和關(guān)閉。

　　顯然，目前一般的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是難以滿足上述要求的。將變頻技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不但能圓滿的解決上述問(wèn)題，而且使閥位的調(diào)節(jié)質(zhì)量有質(zhì)的提高。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，閥門運(yùn)行的速度和力矩都是變化的。在開(kāi)啟閥門時(shí)，變頻執(zhí)行電機(jī)的軟啟動(dòng)功能使電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速逐漸增加，實(shí)現(xiàn)閥門的平穩(wěn)開(kāi)啟，可以減小或消除電流及機(jī)械沖擊;閥門開(kāi)啟之后，執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，保證對(duì)設(shè)定閥位的快速響應(yīng);將要到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，為使其迅速精確的定位，執(zhí)行電機(jī)的速度降低，使閥門緩慢到達(dá)設(shè)定位置而不產(chǎn)生超調(diào)，同時(shí)避免閥座和閥芯之間產(chǎn)生撞擊。在容易產(chǎn)生液壓沖擊的場(chǎng)合，還可通過(guò)改變執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速以減緩閥門關(guān)閉速度，延長(zhǎng)關(guān)閉時(shí)間，減小或消除液壓沖擊。

　　這樣，變頻執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)閥門以變化的、符合需要的速度運(yùn)行大大提高了閥位調(diào)節(jié)的精度和可靠性。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程既快速、精確，也能柔性啟停，十分圓滿的解決了常規(guī)恒速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的弊病。

　　變頻調(diào)速技術(shù)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，極大的消除了傳統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的缺陷，可以說(shuō)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的一次飛躍。

2、變頻調(diào)速回路的工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1、變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)包括主電路和控制電路。主電路中最重要的部分是三相逆變橋的構(gòu)成，控制電路中最重要的部分是變頻控制信號(hào)PWM波的生成。為了能使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、尺寸小、可靠性高和開(kāi)發(fā)時(shí)間短以及占用單片機(jī)機(jī)時(shí)少，本文選擇能產(chǎn)生PWM波的應(yīng)用于電機(jī)變頻調(diào)速的PWM發(fā)生器SA4828作為控制器件IGBT逆變模塊作為逆變功率器件。

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路為交直交電壓型變頻電路，它由二極管整流模塊VDM、直流濾波電容和IGBT逆變模塊組成。

2.2、變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

　　電機(jī)參數(shù)為額定功率0.75kW，額定電流2.1A，額定電壓380V。

　　整流器的輸入電壓為單相工頻交流電，當(dāng)沒(méi)加濾波電容時(shí)，單相橋式整流電路輸出的平均直流電壓為：

　　由Udc=0.9U1=0.9×220=198V

　　加上濾波電容后，Udc的最大值可達(dá)到交流線電壓的峰值：

2.3、整流二極管模塊的參數(shù)計(jì)算

　　整流二極管的選擇應(yīng)從電機(jī)在最大負(fù)載電流下仍能可靠工作的情況下考慮。所以流過(guò)二極管的電流有效值為：

　　式中，Im為電機(jī)最大負(fù)載電流峰值，其值一般取為電機(jī)額定電流的5-6倍。故二極管的額定電流為：

　　二極管的耐壓值為：

　　式中，U21為變壓器二次線電壓有效值。

2.4、濾波電容的選擇

　　當(dāng)輸入單相線電壓為220V時(shí)，整流輸出的最大電壓是311V，考慮到電壓為10%的波動(dòng)，則最大輸出可達(dá)342V，因此濾波電容的耐壓值應(yīng)在此電壓之上，并有一定的安全裕度，故取濾波電容的耐壓值為450V。理論上，濾波電容的值越大越好，但考慮到體積成本等因素，電容值也不可能選得太大，事實(shí)上，中間直流濾波電容的容量是從限制電壓波動(dòng)的角度來(lái)選擇的，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可選3個(gè)450μF的鋁電解電容。

2.5、逆變器功率器件的選擇

　　IGBT是場(chǎng)控型大功率開(kāi)關(guān)元件，它熱時(shí)間常數(shù)小，承受過(guò)載能力差在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，從負(fù)載最嚴(yán)重的情形來(lái)選擇功率元件。

　　功率元件的電流額定值：

　　式中，λ——電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，一般取1.5～2;In——電機(jī)的額定電流。

　　此外，還應(yīng)保證功率器件IGBT的集電極-發(fā)射極額定承受電壓Uceo至少應(yīng)為實(shí)際承擔(dān)的最高峰值1.2倍以上，則功率器件的耐壓值：

　　所以選擇IPM為600V/20A的智能功率模塊，經(jīng)比較多種型號(hào)的IPM，最終采用三菱公司的PM20CSJ060。

2.6、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心的測(cè)量和控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)由傳感器、過(guò)程輸入/輸出設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。由系統(tǒng)對(duì)各種工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理并對(duì)其實(shí)施控制，從而完成自動(dòng)控制任務(wù)。

　　單片機(jī)由于其集成度高、體積小、可靠性高、性能價(jià)格比好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于智能儀表、測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的智能接口以及家電方面。智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分以及信號(hào)檢測(cè)部分。控制部分主要由單片機(jī)、EPROM、PWM波發(fā)生器、IPM逆變器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和整流模塊等組成;執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分主要包括執(zhí)行電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)部件;檢測(cè)部分主要包括直流電壓檢測(cè)、交流電流檢測(cè)和閥位檢測(cè)。

　　EPROM用于存放程序和表格;8255擴(kuò)展并行口用于連接SA4828、動(dòng)態(tài)顯示、鍵盤等外部設(shè)備;鍵盤和顯示用于輸入和顯示設(shè)備參數(shù)和給定量，顯示系統(tǒng)當(dāng)前位置、運(yùn)行速度、運(yùn)行頻率等參數(shù)。我們選擇較為熟悉的8位單片機(jī)89C51作為智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制核心。在智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中單片機(jī)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、閥門開(kāi)啟、關(guān)閉及閥門開(kāi)度等設(shè)定信號(hào)，并提供三相PWM波發(fā)生器SA4828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)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)反饋信息。整個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示，本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)為虛線框內(nèi)部分。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在本文系統(tǒng)軟件的編寫過(guò)程中，遵循的原則是：軟件要最大限度地與硬件配合，充分發(fā)揮各自的功能以滿足控制系統(tǒng)的需要。原則上，在系統(tǒng)允許的情況下，盡可能采用軟件，減少硬件的使用。因?yàn)檫@樣可以節(jié)省經(jīng)費(fèi)開(kāi)支，減少因硬件的增加而降低系統(tǒng)可靠性的隱患，并且軟件設(shè)計(jì)靈活、方便、易于修改，在許多方面可以取代甚至超過(guò)硬件的功效。但是這種“以軟代硬”是以占用更多的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)為代價(jià)的。雖然減少了元器件的數(shù)目但系統(tǒng)的工作速度相應(yīng)降低，這在某種實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合是不允許的;而在實(shí)時(shí)性要求不是很高的場(chǎng)合則更具優(yōu)越性。

4、結(jié)論與展望

　　本文基于簡(jiǎn)化的矢量控制策略，以89C51單片機(jī)、PWM產(chǎn)生器SA4828和PM20CSJ060為核心，以簡(jiǎn)潔、可靠的系統(tǒng)構(gòu)成，采用全數(shù)字化的方式，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變頻驅(qū)動(dòng)，基本解決了閥門損壞、卡死等問(wèn)題和傳統(tǒng)閥門調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和靈敏度之間的矛盾，優(yōu)化了閥門速度調(diào)節(jié)特性。