智能型變頻電動執行器如何工作 智能型變頻電動執行器工作 智能型變頻電動執行器

一、之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應用，現在介紹智能型變頻電動執行器如何工作前言

本文講解一種變頻調速電動執行機構（電動執行器）的設計及工作原理，其電機是通過內部集成的一體化變頻器來控制，同一臺執行機構可以在設定不同的運行速度和關斷力矩。該智能變頻電動執行機構（電動執行器）采用了液晶顯示技術，它利用內置的液晶器，不僅可以顯示閥門的開、關狀態和正常運行時閥門的開度，還可以通過菜單選擇運行參數設定，當系統出現故障時，能顯示出故障信息。電動執行器要實現高質量和高精度的控制，首先對控制信號微小變化反應靈敏；實現動態響應好，電動執行機構運行速度必須和控制信號幅度成比例；要克服系統靜差，電動執行機構只有以低速運行通過*的微調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行器是難以滿足上述要求的。 

    智能型變頻電動執行器如何工作智能型變頻電動執行器、調節閥性能 

    智能型變頻電動執行器是利用數字化變頻、單片機技術，改造目前現有的電動執行器使之具有智能化、變速運行、動態響應好、調節定位精度高、穩定性好、故障率低、壽命長及應用場合更加廣泛的特點。 

    智能型變頻電動執行器與各種閥體配合，可以構成各類智能型變頻電動調節閥。這類電動調節閥在調節過程中，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，比普通電動調節閥快，加速調節作用。但隨著輸入信號和閥位反饋信號偏差減小，閥電機速度會變慢，閥芯的運動速度也會隨之下降。越接近平衡點閥電機速度會越慢。在平衡點附近閥門會一點點打開或關閉，具有*的微調作用，其結果是大大提高了閥門的控制精度。 

（一）智能型電動執行機構采用變頻調速技術的主要特點： 

1 ．采用外接模擬信號來控制速度可以獲得理想調節效果 

    智能型變頻電動執行器通過內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以不同的速度運行。電動執行機構借助這一速度控制信號，會以較低的速度在設定值附近啟、閉閥門可有效防止管道內壓力的劇烈波動。若干擾使被調參數與設定值偏離較大時，電動執行機構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管道和閥門免受過壓和磨損。 

2 ．電動執行機構采用智能控制器來進行控制實現控制過程*化減少電機起停次數，減少閥門磨損內置智能控制模塊是一種自適應多功能控制器。
智能型電動執行機構采用變頻調速技術使動作過程始終隨控制信號和閥位反饋信號偏差自適應調整。這可確保以小的啟停次數來實現高的控制精度，從而實現控制過程*化，并因起停次數的減少而減少閥門的磨損。 

二、電動執行機構（電動執行器）的硬件設計及工作原理

智能執行機構（執行器）從結構上主要分為控制部分和執行驅動部分。控制部分主要由單片機、PWM波發生器、IPM逆變器、A/D、D/A轉換模塊、整流模塊、輸入輸出通道、故障檢測和報警電路等組成。執行驅動部分主要包括三相伺服電機和位置傳感器。

系統工作原理：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A/D轉換后送入單片機。單片機通過8255控制PWM波發生器，產生的PWM波經光電耦合作用于逆變模塊IPM，實現電機的變頻調速以及閥位控制。逆變模塊工作時所需要的直流電壓信號由整流電路對380V電源進行全橋整流得到。

控制系統各功能元件的選型與設計：單片機選用IN公司生產的8031單片機，它主要通過并行8255口擔負控制系統的信號處理：接收系統對轉矩、閥門開啟、關閉及閥門開度等設定信號，并提供三相PWM波發生器所需要的控制信號；處理IPM發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；提供顯示電動執行機構（執行器）的工作狀態信號；執行控制系統來的控制信號，向控制系統反饋信號。

智能逆變模塊IPM。為了滿足執行機構（執行器）體積小，可靠性高的要求，電機電源采用智能功率模塊IPM。該執行機構（執行器）主要適用功率小于5.5kW的三相異步電機，其額定電壓為380V，功率因數為0.75。經計算可知，選用日本產的智能功率模塊PM50RSA120可以滿足系統要求。該功率模塊集功率開關和驅動電路、制動電路于一體，并內置過電流、短路、欠電壓和過熱保護以及報警輸出，是一種高性能的功率開關器件。

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內部有114字節的用戶非易失性RAM，可用來存入需保存的數據。液晶顯示單元。為了實現人機對話功能，選用MGLS12832液晶顯示模塊組成顯示電路。采用組態顯示方式。通過菜單選擇，可分別對閥門、力矩、限位、電機、通訊和參數等信號進行設置或調試。并采用文字和圖形相結合的方式，顯示直觀、清晰。程序出格自恢復電路。為了保證在強干擾下程序出格時系統能夠自動地恢復正常，選用MAX705組成程序出格自恢復電路，監視程序運行。

三相PWM波發生器。PWM波的產生通常有模擬和數字兩種方法。模擬法電路復雜，有溫漂現象，精度低，限制了系統的性能；數字法是按照不同的數字模型用計算機算出各切換點，并存入內存，然后通過查表及必要的計算產生PWM波，這種方法占用的內存較大，不能保證系統的精度。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行整個系統的檢測、保護、控制等功能，文中選用MI公司生產的SA8282作為三相PWM發生器。SA8282是大規模集成電路，具有獨立的標準微處理器接口，芯片內部包含了波形、頻率、幅值等控制信息。

位置檢測電路。位置檢測電路是執行機構（執行器）的重要組成部分，它的功能是提供準確的位置信號。關鍵問題是位置傳感器的選型。在傳統的電動執行機構（執行器）中多采用繞線電位器、差動變壓器、導電塑料電位器等。繞線電位器壽命短被淘汰。差動變壓器由于線性區太短和溫度特性不理想而受到限制。導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、無線性區限制、穩定性高、無溫度限制等特點。

通訊接口。為了實現計算機聯網和遠程控制，選用MAX232作為系統的串行通訊接口，MAX232內部有兩個*相同的電平轉換電路，可以把8031串行口輸出的TTL電平轉換為RS－232標準電平，把其它微機送來的RS－232標準電平轉換成TTL電平給8031，實現單片機與其它微機間的通訊。

電壓、電流及檢測。檢測電壓、電流主要是為了計算電機的力矩，以及變頻器輸出回路短路、斷相保護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變為高電平，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，使WDO引腳回到高電平，程序出格自恢復電路繼續監視程序運行。

三、關鍵技術問題的解決

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。

該電動執行機構（執行器）采用了的變頻調速技術，電機驅動功率小于5.5kW。用戶可根據需要設定力矩特性，根據控制的閥設定速度，速度分多轉式、直行程、角行程3種方式。控制系統由閥位給定和閥位反饋信號構成的閉環系統，控制特性視運行方式、速度而定，并具有自動過流保護、過載保護、超壓、欠壓、過熱、缺相、堵轉等保護功能。該執行機構（執行器）解決的關鍵性技術問題主要有：閥門柔性開關。柔性開關主要是為了當閥關閉或全開時，保證閥門不卡死與損傷。執行機構（執行器）內部的微處理器根據測得的變頻器輸出電壓和電流，通過計算，得出其輸出力矩。一旦輸出力矩達到或大于設定的力矩，自動降低速度，以避免閥門內部過度的撞擊，從而達到*關閉，實現過力矩保護。

電機保護的實現。為了防止電機因過熱而燒毀，單片機通過溫度傳感器連續檢測電機的實際運行溫度，如果溫度傳感器檢測到電機溫度過高，自動切斷供電電源。溫度傳感器內置于電機內部。

閥位的極限位置判斷。閥位的極限位置是指全開和全關位置。在傳統執行機構（執行器）中，該位置的檢測是通過機械式限位開關獲得的。機械式限位開關精度低，在運行中易松動，可靠性差。在文中，電動執行機構（執行器）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，如果未發生變化或變化較小，即認為己達到極限位置，立即切斷異步電機的供電電源，保證閥門的安全關閉或全開。省去了機械式限位開關，無需在調試時對其進行復雜的調整。

準確定位。傳統的電動執行機構（執行器）在異步電機通電后會很快達到其額定動作速度，當接近停止位置時，電機斷電后，由于機械慣性，其閥門不可能立即停下來，會出現不同程度的超程，這一超程通常采用控制電機反向轉動來校正。機電一體化的大流量電動執行機構（執行器）根據當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的微調和定位，從而將超程降到低。與本產品相關論文：200X先導隔膜式水用減壓閥安裝要求