电动执行器的设计毕业设计论文.docx
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电动执行器的设计毕业设计论文
毕业设计:
电动执行器设计
摘要
电动执行器被广泛应用于各种工业自动化过程的控制环节,能够精确地实现远程控制。
主要由伺服放大器和执行器两大部分组成。
电动执行器接受调节器来的4-20mA的直流信号,将其线性地转换成机构转角或直线位置位移,用以操作风门、挡板、阀门等调节机构,以实现自动调节。
本设计的重点是设计电动执行器的控制部分。
控制部分主要由单片机和可控硅组成。
其中单片机选用AT89C2051,AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员,是8051单片机的简化版。
AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统,省去了外部的RAM、ROM和接口器件,减少了硬件开销,节省了成本,提高了系统的性价比。
可控硅选用BTA16。
本设计的电动执行器的控制部分主要是控制伺服电机的正反转。
关键词:
电动执行器;控制;单片机;可控硅;电机
Electricactuatordesign
ABSTRACT
Electricactuatorsarewidelyusedinvariousindustrialautomationcontrollinks,whichcanrealizeremotecontrolprecisely.Mainlybytheservoamplifierandtheactuatoriscomposedoftwoparts,ElectricactuatorforDCsignalregulatorto4~20mA,thelinearconversionmechanismoftheangularorlineardisplacement,tooperateadamper,baffle,valveadjustmentmechanism,inordertoachieveautomaticadjustment.Thepointofthisdesignistocontrolthedesignofelectricactuatorpart.Controlpartismainlycomposedofsingle-chipmicrocomputerandcontrolledsilicon.TheSCMAT89C2051,AT89C2051microcontrollerisamemberofthe51SeriesMCU,isasimplifiedversionofthe8051singlechipmicrocomputer.AT89C2051constitutetheSCMsystemisthemostsimplestructure,lowcost,mostefficientmicro-controlsystem,eliminatingtheexternalRAM,ROMandtheinterfacedevice,reducesthehardwarecost,savesthecost,enhancesthesystemperformance.SiliconcontrolledrectifierusingBTA16.Thecontrolpartofthedesignoftheelectricactuatoristhemainpositiveinversioncontrolservomotor.
Keywords:
electricactuator,Control;MCU;thyristor;motor
第一章绪论
1.1设计的背景和意义
电动执行器在自动控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号,通过电动执行器本身开度的变化,控制阀体等节流件的开度,达到控制流量的目的。
电动执行机构是以电动机为驱动源、以直流电流为控制及反馈信号,当上位仪表或计算机发出控制信号后,电动执行机构输出轴按照信号大小比例地动作,使阀门或风门开到相对应的开度,并将系统开度信号反馈回控制室内,从而完成系统的调节功能。
然而,电动机作为机电能量转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中,同时也是最为常见的电动执行器。
随着经济社会的不断发展,科技的日异月新,电力电子也同样取得了巨大的发展和进步。
新型材料以及新型半导体的应用,逐渐产生了以电子换相代替传统电刷机械换相的无刷直流电动机。
1955年,美国Harrison等人首次申请了应用晶体管换相替代电动机机械换相的专利,这边是无刷直流电动机的雏形。
1962年,借助霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机的问世开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。
1978年,原联邦德国MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其MAC无刷直流电动机及其驱动系统,标志无刷直流电动机正式迈入实际使用阶段。
本文的研究方向为设计一种具有实用价值的电动执行器。
宗旨是通过对电动执行器的设计,综合应用所学各门专业知识,并且掌握电动执行器的基本原理,熟悉单片机设计、电路设计的基本方法及步骤,锻炼机电设计的能力。
1.2概述
电动执行器(又称为电动执行机构)
英文名称:
ElectronicActuator
对于执行机构最广泛的定义是:
一种能提供直线或旋转运动的驱动装置,它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。
执行机构使用液体、气体、电力或其它能装源并通过电机、气缸或其它置将其转化成驱动作用。
应用于各种工业自动化过程控制环节。
按照运动方式分为:
角行程、直行程和多转式。
优点是能源取用方便,信号传输速度快,传输距离远,便于集中控制,灵敏度和精度较高,与电动调节仪表配合方便,安装接线简单。
缺点是结构复杂,平均故障率高于气动执行机构,适用于防爆要求不高,气源缺乏的场所。
1.3电动执行器的性能特点
1功能强劲:
智能型、比例式、开关式、各类信号输出型应有尽有。
2体积小巧:
体积仅相当于同类产品的35%左右。
3轻便宜人:
重量仅相当于同类产品的30%左右。
4性能可靠:
轴承牙口电器元件等关键零部件采用进口名牌产品。
5美观大方:
铝合金压铸外壳、精细流畅、且可减少电磁干扰。
6精密耐磨:
蜗轮输出轴一体化特殊铝合金锻造、强度高、耐磨性好。
7回差极小:
蜗轮输出轴一体化、避免了键联结的间隙、传动精度高。
8安全保证:
通过1500V耐压检测,F级绝缘电机,安全有保障。
9套简单:
采用单相电源、外接线路特别简单,也可做380V、直流电源。
10使用方便:
免加油、免点检、防水防锈、任意角度安装。
11保护装置:
双重限位、过热保护、过载保护(选装)。
12多种速度:
全行程时间5秒、10秒、15秒、30秒、60秒、100秒等。
13防腐防锈:
支架、联轴器、螺钉均采用不锈钢。
14智能数控:
数字设定、数字整定、高度精确、自诊断、一机多能。
15集成一体:
智能控制模块高度集成于电动装置本体中,无须外接定位器等
1.4电动执行器的发展
国内状况:
我国自行设计开发的电动执行机构产品,目前形成较大批量生产能力的有ZAJ、ZAZ型小功率电动执行机构和DDZ-Ò、Ó型电动单元组合仪表电动执行机构。
由于现场条件不同,对执行机构也提出一些新的特殊要求,如冶金行业提出快速型执行机构(全行程时间为10s);电力系统中一些高温、高压调节阀需用多转式电动执行机构;造纸行业中的纸浆流量控制需要精密型步进电动执行机构,而目前主要存在的问题是:
功能参数缺少大于6kN#m规格的执行机构;死区较大,为3%;缺少力矩保护、行程保护机构,电动执行器一旦失去输入信号,就会引起阀门的迅速关闭,反馈信号一旦失去,也会造成严重后果。
我国电动执行器的研制起步较晚,是从苏联有触点的执行机构进行仿制开始的,60年代末70年代初,逐步发展了DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型产品。
80年代以来,随着电力电子技术的发展,电动执行器发展快速,无触点的DKJ型角行程和DKZ型直行程电动执行机构两大类产品进入市场,DKJ,DKZ是我国最早的,唯一生产的电动执行器,此产品以结构简单,经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。
随着现代工控计算机管理的发展,目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升,微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用,多数产品实现了智能化。
今天,DKJ,DKZ系列与以前相比有了两大实质性改进:
1生产出直接受计算机控制的智能电子型,户外型,隔爆型等改进型产品;
2将电路控制部分灌封在一个小型塑料盒中,即模块,形成了便于维护的即插即用型。
因此,普通DKJ型和DKZ型的可靠性,精度,负载能力,信号品质系数等性能有了很大提高,而且对环境条件的要求降低了很多;
目前国内普遍使用DKJ型和DKZ型两大类产品,一些企业使用DKJ,DKZ的更新换代产品,但在控制要求较高的实验,生产控制中,主要是依赖价格较高的国外智能产品。
随着各种过程控制要求的不断提高,电动执行器必须提高控制性能,才能真正埋设自动控制水平。
国际状况:
自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界第一台电动执行机构以来,国际上电动执行器技术水平发展迅速。
20世纪80年代起,国外相继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器,在工业现场取得了较好的应用效果。
由于高新技术的迅猛发展,目前国外已开发出新一代智能电动执行机构产品,电子计算机技术,微机控制技术已在阀门设计中得到广泛应用。
这些智能化电动执行器功能强大,简单可靠,技术先进。
国际上智能电动执行器有以下特点:
1智能通信,智能控制智能电动执行器利用微机技术和现场通信技术,实现双向通信,PID调节,在线自动标定,自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能,有效提高控制水平。
2机电一体化新型智能电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为一体,驱动电路应用功能强大的集成模块,结构简单,控制性能好。
3控制策略更为先进,先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题,实现准确定位,提高控制精度。
Nucom电动执行器利用先进的电制动技术,控制精度可达1/250,国产的普通型DKJ电动执行器控制精度一般为2.5/100。
电动执行器的总体发展状况:
电力电子技术,计算机技术及通讯技术的快速发展必将推动电动执行器更加快速的发展,机电一体化将取代分体式结构;智能通讯取代模拟;控制精度将越来越高,使用环境越来越广;功能更加强大,可靠性更高,以适应不断发展的自动控制的要求。
1总线化,网络化
国外,以工业局域网技术为基础的工厂自动化(FactoryAutomation)工程技术在最近十年来得到了长足的发展,作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势,也应具有标准的串行通信接口和专用的局域网接口,以增强其与其它控制设备间的互联能力,只需要一根电缆或光缆,就可以将数台,甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系统。
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行,数字式,多点通信的数据总线现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向,以其所具有的开放性,网络化优点,使它与Internet的结合成为可能,现场总线技术应用于电动执行器成为必然趋势。
现场总线技术的应用,取代了传统的420mA模拟信号,实现了电动执行器的远程监控,状态,故障,参数信息传送,完成远程参数化工作,提高了它的可靠性,降低了系统及工程成本。
目前有影响的现场总线主要有PROFIBUS,FF,HART,CAN等,其实,国外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口,我国也开发了一些带现场总线接口的智能执行器。
2数字化,智能化
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势,价格低廉的单片机和新型高速微处理器将全面代替模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元,从而实现完全数字化的控制系统。
全数字化的实现,将原有的硬件控制变成了软件控制,从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法(如:
最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等)来提高控制性能。
传统的电动执行器一般被看作是线性系统,由放大环节和积分环节组成,但实际上,绝大多数执行器参数在运行期间会显著地发生改变,应用参数调度和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。
相对气动液动执行器来说,接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行器将不断扩大应用范围。
3小型化,机电一体化
电力电子的高度集成化,单片机的使用以及一些功能强大模块的使用,使电动执行器的体积越来越小,向小型化,轻便化发展。
目前,智能电动执行器一般将整个控制回路线装在一台现场仪表里,将伺服电机,现场仪表控制器安装为一体,电动执行器一体化,使得执行顺的安装与调试工作都得到了简化。
将整个控制回路装在一台现场仪表里,又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响,提高了系统的可靠性。
国际上,电动执行器正朝着小型化、一体化、数字化、智能化、总线化和网络化方向快速发展,国产电动执行器在产品的品种、控制精度、工艺水平、可靠性、智能化和网络化方面还有较大差距,具有自主知识产权的高性能电动执行器十分匮乏。
本文旨在找到我们与世界在电动执行器方面的差距,明确目标,通过我们的努力尽快减小国产电动执行器与世界先进水平的差距。
第二章总体设计方案
2.1电动执行器的结构框图
电动执行器的结构原理框图如下图所示:
输入信号
反馈信号
图2.1电动执行器工作原理框图
由框图可知,电动执行器主要由放大器,单片机,电机,减速器,制动装置和位置发送器这几部分组成。
放大器接受来自调节器的输入信号和位置发送器的反馈信号,经比较放大后输送给单片机,单片机根据输送来的电平的高低来控制电机的正反转。
若输入信号大于反馈信号则电机正转,若反馈信号大于输入信号则电机反转。
若输入信号等于反馈信号则电机停止转动。
电动执行器是一个用二相交流伺服电机为原动机的位置伺服机构,当输入端无输入信号时,伺服放大器无输出,输出轴稳定在预选好的零位上,当输入端有输入信号时,伺服放大器把输入信号Ii和来自位置发送器的反馈信号If相比较,得一偏差信号,这一偏差信号使功率放大后,驱动伺服电机转动,再经减速器减速,带动输出轴改变转角,输出轴转角的改变,经位置发送器转换成相应的反馈信号,反馈到伺服放大器的输入端当位置反馈信号与输入信号数值相等时,伺服电机停止转动,输出轴就稳定在与输入信号相应的位置上。
2.2单片机的选取
本设计选用单片机TA89C2051,AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。
2.2.1单片机的内部结构
AT89C2051是一个带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的低电压,高性能8位CMOS微处理器。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器,ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器,它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。
AT89C2051提供以下标准功能:
2K字节闪速存储器,128字节RAM,15根I/O口,两个16位定时器,一个五向量两级中断结构,一个全双工串行口,一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。
空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。
2.2.2软硬件的开发
AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统。
1、由于89C2051内部程序存贮器为Flash,所以修改它内部的程序十分方便快捷,只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。
调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法,对于熟练的MCS-51程序员来说,这种调试方法并不十分困难。
但是做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。
2、将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0~P1.7和P3.0~P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法,但是仿真不够真实,比如,2051的内部模拟比较器功能,P1口、P3口的增强下拉能力等等。
2.2.3引脚说明
AT89C2051的引脚图如图2.2所示
图2.2AT89C2051芯片引脚图
1、VCC:
电源电压。
2、GND:
地。
3、P1口:
P1口是一个8位双向I/O口。
口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端,当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流。
4、P3口:
P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时,被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5、RST:
复位输入。
RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6、XTAL1:
作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。
7、XTAL2:
作为振荡器反相放大器的输出。
2.2.4主要性能
1、和MCS-51产品兼容;
2、2KB可重编程FLASH存储器(10000次);
3、2.7-6V电压范围;
4、全静态工作:
0Hz-24MHz;
5、2级程序存储器保密锁定;
6、128*8位内部RAM;
7、15条可编程I/O线;
8、两个16位定时器/计数器;
9、6个中断源;
10、可编程串行通道;
11、高精度电压比较器(P1.0,P1.1,P3.6);
12、直接驱动LED的输出端口。
2.3输入电路的设计
电动执行器接受来自调节器的4~20mA的直流电流信号,经I/V转换后转换成1~5V的电压信号,与来自位置发送器的反馈信号相比较,将比较的结果输送至单片机进行电机正反转的控制。
由于来自位置发送器的反馈信号不稳定,所以应用了运放组成的加减运算电路及比例运算来调节,使两个电压信号的值相匹配,在比较时更容易计算。
输入部分的电路图如图2.3所示:
图2.3输入电路
根据虚短虚断:
比例运算:
根据虚短虚断:
假设来自位置发送器的反馈信号
,在减法运算电路中,将
调为2V,经过减法运算电路运算后,
,在比例运算电路中,比例系数
的数值可以是大于,等于或小于1的任何值。
电路中用两个反相比例运算电路是为了调节输出电压的正反相。
为了便于运算,将比例系数调为2,即经过比例运算后,
,来自调节器的输入信号为
(1~5)V,经过减法运算电路运算后变为(0~4)V,这样
和
在比较时更容易计算。
2.4防止振荡电路的设计
过程控制系统投入自动状态经常会遇到民动执行机构出现这种振荡现象,振荡的频率也较高。
由于这种振荡现象的存在,极易引起磁放大器的故障,此外,由于电动执行机构经常处于振荡状态下运行,严重影响机构的使用寿命。
因此,在调节系统中应消除这种振荡,以保证调节系统的正常运行。
引起执行机构阀位振荡的原因较多,现结合设计、安装调试及运行的经验,说明引起执行机构振荡的原因及消除的方法。
(1)电动、执行器阀位反馈小回路振荡,产生振荡的原因主要有以下两个方面。
a由于磁放大器的不灵敏区△g太小,磁放大器过于灵敏,使执行器小回路无法稳定而生产振荡。
b当执行机构失去制动作用而产生惰走现象时,也会引起执行机构小回路振荡。
针对上述引起执行机构振荡的原因,对磁放大器不灵敏△g太小引起振荡,根据运行中的经验,把磁放大器的不灵敏区△g调在±120-140μA时可以消除小回路振荡。
对于执行机构失去制动应查出机构失去制动的原因给以排除。
(2)由于信号源波动而造成执行机构的振荡。
可以在系统设计地,在回路中加入阻尼器环节,也可在管路中加机械滤波缓冲的装置。
用机械阻尼的方法减少变送器输出信号的波动,以至消除机构的振荡。
(3)由于调节系统参数整定不当而引起系统振荡,使执行机构振荡。
调节器的参数整定不适合,会引起系统产生不同程度的振荡。
对于单回睡调节系统,比例带过小、积分时间过短、微分时间和微分增益过大都可能产生系统振荡。
对于多回路系统和单回路系统有共性的问题外,还存在着回路之产的相互影响,由于参数整定不合适产生各回路间的共振。
对于上述原因引起执行机构的振荡,可能在系统整定时合理的选择这些参数,使回路都要保持所要的稳定裕度。
(4)由于调节阀门流量特性太陡或阀门运行在小开度时,引起调节器过调而使执行机构振荡。
当调节阀流量特性太陡时,被调量只需加油站小的偏差就将使被调介质产生较的变化,往往使调节过头,使系统产生振荡。
由于调节阀门的特性受工艺条件限制,较难修改时,可以把调节的比例带适当增加,以改善调节品质。
(5)由于执行机构以联杆和调节阀门闸的联接件的游隙和间隙。
所有联接件应按三级精度配合制造。
执行机构的振荡是运行中常见的一种故障现象,直接影响调节品质,其内在原因也是多方面的,在分析和排队故障原因时,要从系统构成安装调试多方面去分析故障原因,再设法进行消除。
防止振荡电路图如图2.4所示:
图2.4防止振荡电路图
在本设计中采用了加减运算电路来消除振荡,在控制电机正转的电路中,当来自调节器的信号大于反馈信号时,电机正转。
但是,当电机正转的过程中,若反馈信号大于或等于来自调节器的信号时,电机反转或者停止转动,这样就产生了振荡,在本设计中采用了加减运算电路来消除振荡。
在控制电机正转的电路中采用了减法运算电路来消除干扰电机正转的振荡,用电位器来调节参数值的大小。
当电机正转的过程中,若反馈信号大于或等于来自调节器的信号时,减法运算电路减去电位器调节的值使得来自调节器的信号始终大于反馈信号,保证电机正常正转。
在控制电机反转的电路中采用了加法运算电路来消除干扰电机反转的振荡。
当电机反转的过程中,若反馈信号小于或等于来自调节器的信号时,加法运算电路加上电位器调节的值使得反馈信号始终大于来自调节器的信号,保证电机正常反转。
图2.4中,u5是一个很小的值,电位器
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