机电一体化中的电机控制与保护设计.pdf

Aug.2023Fluid Measurement&ControlVol.4 No.4 机电一体化中的电机控制与保护设计Research on Motor Control and Protection Design in Mechatronics代响林（黄淮学院，河南 驻马店 463000）DAI Xianglin（Huanghuai University，Zhumadian 463000，Henan，China）摘要：根据机电集成技术的发展趋势，设计了一种新的电致动器，并对其各个主要部件的选择和设计、阀位和转速的控制原则及解决办法进行了较详尽的阐述。首先，将阀门、伺服马达、控制器合为一体，以 8031单片机及变频技术实现阀门运动的转速及位置，并可实现阀门精确定位、阀门灵活切换、极限位置判定；其次，电动机的技术问题，如电动机的防护和仿真的信号的绝缘；最后，通过实际应用，证明了其动作迅速，保护完善，易于与电脑通信，并能很好地发挥其电气集成技术的优势。关键词：电动机阀门；继电器保护；机电一体化技术总结Abstract：According to the development trend of electromechanical integration technology，a new electric actuator is designed，and the selection and design of various main components，valve position and control principles and speed are elaborated in detail.This mechanism combines valve，servo motor and controller to realize the speed and position of valve movement with 8031 MCU and frequency conversion technology，and can realize precise positioning of valve，flexible switching and limit position determination；Technical problems of motor，such as the protection of motor and the insulation of simulated signals.Through practical application，it is proved that it moves quickly，is well protected，is easy to communicate with computers，and can give full play to the advantages of its electrical integration technology.Key words：motor valve；relay protection；mechatronics technology summary中图分类号：TH 39 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）04-0086-05在现代生产过程中，执行器起着至关重要的作用，是实现自动化的一个重要步骤。目前，我国大型液压传动机构的控制方法比较落后，传动机构多、结构复杂，但其存在的问题是定位精度不高、可靠性不高。另外，传动机构的总体运行速度与电动机的输出转速和内部的减速齿轮的比例相关，被生产出来后转速即无法调整，因此其应用也就不那么广泛了。但总体来说，没有完善的保护和故障诊断手段，缺乏必要的通信手段，且不能与计算机联网，会存在较大的安全风险。由于以上原因，传统的大容量电动执行器在工作中的工作稳定性和可靠性都较差。随着计算机网络技术和现场总线技术的日益普及，这种驱动设备已不能满足生产的要求。本研究开发的大流量电执行机构，是将阀门、伺服马达和控制器有机结合在一起的机电一体化技术，采用变频器和模糊神经网络，精确地调整阀门的动作速度、精确定位、柔性开关和电机力矩。电执行机构不需要对电动机正反向接触件、可控硅换向模件、机械传动和精确控制进行控制；昂贵的操作台及配电盒，操作快速，安全可靠，与电脑网路连接。通过实际应用表明，该系统工作稳定可靠。1机电一体化技术发展历程及其现状1.1机电一体化技术发展历程从总体上看，机械工程的发展大致可以分成 3个时期：（1）1960 年之前，这个时期叫做初期。在此期间，人们有意识地或无意识地运用了电子学的最初成就，使机器设备的各项功能得以改善。尤其是二战时期，由于战争，机器和电子学的融合，使其成为了二战以后的民用技术，在战后的经济复苏中发挥了重要的作用。在那个时期，发展还处在一种自发的阶段。因为那时的电子学还没有发展到相当的程度，所以机械和电子学的融合还没有得到很好的普及1。（2）20 世纪 7080 年代是发展的第 2 个时期，也可以说是繁荣时期。在此期间，计算机技术、控 862023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）制技术和通信技术的发展为实现电力系统集成提供了技术支持。大规模、超大规模集成电路、微机的问世，为实现机电一体化奠定了坚实的物质条件。这一阶段的特征是：mechatronics 一词，最早为日本所认同，直到 20 世纪 80 年代末才被全球所公认，机械设备、设备的集成技术和设备都有很大的发展，世界上很多国家都对机械与电子设备的技术、设备予以了大力的重视与扶持2。（3）20世纪 90年代末，我国的机电技术逐步走向智能化，机电集成技术也步入了一个新的发展阶段。一方面，光学、通信技术等已步入机电结合的时代，而在机电集成领域，微机械技术也开始崭露头角，形成了光机电、微机电集成等新的技术。同时，对其建模设计、分析与集成的方法、机电集成的学科体系和发展方向等进行了较为全面的探讨。在人工智能、神经网络、光纤技术等方面的飞速发展，为机械电子技术的发展提供了一个新的发展空间。这也为机电集成的发展奠定了一个较好的理论基础，逐步形成了一个较为完备的专业系统。在 20 世纪 80 年代初期，国内对此进行了深入的探索与应用。国家发改委设立了“国家工程机械集成”领导机构，并将其纳入国家“863计划”。我国“九五”和 2010发展计划的编制过程中，综合了国内外对机电技术发展趋势及可能产生的冲击。目前国内各大院校、科研机构和大中小型公司已开展了大量的研究和实践，并已有了初步的研究和应用。但是，同日本等世界发达国家的经济发展水平还有很大的距离。1.2目前机电一体化的主要发展方向机械、电子、光学、机械结合，控制、计算机、信息等多个领域的结合，其发展推动有关技术的发展。机电集成技术的发展趋势如下。1.2.1智能化在 21 世纪，智能化是一项新的发展趋势。目前，对智能控制技术的研究越来越受到关注，其中最主要的一项就是智能控制系统和控制系统。“智能化”指的是计算机的行为，它是基于人工智能、运筹学和计算机科学的控制原理；模糊数学、心理学、生理学以及混乱的动态，这种新的学习方式使其具有判断推理、逻辑思维和独立判断的功能，从而达到较高的控制目的。要让一个机械电子集成的产物拥有和人类一样的智慧，这是不现实的，而且是没有必要的，但是高性能、高速的微处理机可以赋予电子和电子设备的低层次的智力，这是非常有必要的3。1.2.2模块化模块是一个非常重要和复杂的工程。机电一体化的生产厂家和种类繁多，因此在机械、电气、电力，以及环境保护等领域的设计和研发工作，是非常重要和非常繁复的问题。比如，开发一种集减速、智能调速、电机为一体，具有视觉、图像处理、识别、测距等功能的控制装置，以及能够实现正常运行的各类机械设备。有了这种标准件，新的产品可以快速地发展，并且可以扩大生产。要实现上述目标，还必须制订相应的规范，使各部件和单元之间相匹配。在短期内，因利益的矛盾，难以制订出国际或国内的相关规范，但可以逐步建立大型公司。显而易见，电子产品标准化、系列化带来的效益，对于制造标准化的机械设备和制造机电产品的公司来说，都会带来光明的前景4。1.2.3网络化20世纪 90年代，以计算机技术为代表的技术成为其重要的研究领域。网络的兴起和发展给科学技术、工业生产和政治带来了极大的影响，日常生活中的军事和教育已经有了很大的改变。因特网连接着世界的经济和生产，企业间的竞争也越来越激烈。新的机电产品一经开发，功能独特，质量可靠，必将迅速走向世界。随着互联网的发展，各种以互联网为基础的遥控监控技术迅速兴起，而其末端装置又是一种机电一体化的产物。随着现场总线和 LAN技术的不断发展，家用设备的网络化已经成为一种趋势，通过家用网络将各类家用设备与电脑一体化家用电器（CIAS）结合起来5，用户可以在家享受到高科技产品的便捷和乐趣。所以，机械和电子设备必然会走向网络化。1.2.4微型化微电子技术在 20 世纪 80 年代末期开始出现，其反映了从机械到机械，到微机械等方面的发展。在国际上，被称为微电子力学（Microelectronics Mechanics，MEMS)，是一种具有微米、纳米尺度的机电集成产品。微型机电一体化产品以其小巧、能耗低、移动方便等特点，在生物医学、军事、信息等领域有着不可替代的优越性。微型机电集成发展的关键是微型机电技术。微机电产品的制造主要是由光刻工艺和蚀刻工艺组成的，也就是所谓的“超精密技术”6。1.2.5环保化工业发展使人民的生活发生了翻天覆地的改 87Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control变。一方面，使人们拥有了富裕的物质和安逸的居住环境；另一方面，使我国的自然资源不断被消耗，生态环境遭到了严重的破坏。因此，提出了对生态资源的保存和恢复大自然的要求。在此背景下，绿色的理念也随之产生，成为时代潮流。在设计、制造、使用和销毁等全生命周期内，环保的产品满足了环保和人体的特殊需求，对生态和社会没有任何的威胁，而且具有很高的资源化利用价值。以环保的机电产品为基础，有着广阔的发展空间。绿色的机电产品，是在不破坏生态、废弃后可以循环再用的前提下，实现绿色。1.2.6系统化系统化的一个主要特点就是在系统架构上进一步使用了开放的、模块的总线架构。该体系具有灵活的配置，可以进行任何的裁剪与合并，并能使多个子系统协同控制与一体化的经营。同时，通信能力得到了极大的增强，除了 RS232 之外，通常也会采用 RS485 等智能通信方式。未来的机械工业将会更重视人与人之间的联系，其中人机结合有两层意思：第一层是智能、情感、人性等，尤其是家庭机器人，其最高层次就是人机结合；第二层是模拟生物学原理，开发各类机电产品。其实，很多电子和电子的结合产物都是受到了来自于动物的影响7。以微电子、软件、计算机和通信技术为中心的数字技术，信息技术的网络化、综合化和个性化的变革，对全球科技、经济、社会、军事的发展产生了深远的影响，同时也对整个世界的发展产生了深远的影响。2机电一体化中电动执行机构的硬件设计及工作原理电致动器的工作原理方框图如图 1所示。智能型执行器包括控制器和传动机构。控制器由单片机、PWM 波发生器、IPM 逆变电路组成，还包括 A/D 转换模块、整流模块和输入输出通道。它还具备故障检测和警报等功能。传动机构则通过三相伺服电机和位置传感器来实现工作。2.1系统工作原理三相电流、电压和阀门的位置由霍尔电流和电压、位 置 传 感 器 等 组 成，并 将 数 据 录 入 单 片 机。PWM 波 通 过 8255 单 片 机 进 行 PWM 波 的 调 制，PWM 波经光耦合器施加在逆变器上，实现了电机的变频率和阀门的定位控制。此逆变器在工作时需要直流电源，由整流电路实现 380 V 电源的全桥型整流。2.2控制系统各功能元件的选型与设计2.2.1单片机选型选用 8031 微处理器 INTEL 8031，对控制系统进行信号处理：转矩、阀门开启、关闭和阀门开启等设置；对诸如电流、电压、位置之类的检测信号进行加工，例如通过仿真输入，并将其提供，以显示所述电致动器的工作状态，所述的控制信号被执行并且向所述控制系统反馈。2.2.2三相 PWM 波发生器选型生成 PWM 波形的常见方式有两种：软件生成。在单片机或微处理器中，使用软件算法来生成PWM 信号。通常涉及使用定时器/计数器来产生周期性的计时，并在特定的时间点上改变输出引脚的电平状态，以生成所需的 PWM 波形。硬件生成。利用专门设计的 PWM 控制器或芯片，通过设置寄存器或配置参数来生成 PWM 信号。这些硬件PWM 模块通常具有预定义的功能和灵活的配置选项，可以更有效地生成 PWM 波形，并且可以减轻主处理器的负担。这两种方式都可以实现 PWM 信号的生成，选择哪种方式取决于具体的应用需求和系统设计。仿真法具有较高的回路、温度漂移、测量准确率较高等缺点，制约了仿真法的工作效率；数值法是利用电脑根据各种数值模式，分别计算出各个开关处，并将其存储到记忆体中，再经查表和进行必要的运算，生成 PWM 波形。本文选择 MITEL公司的 SA8282型三相 PWM 电源，以满足 PWM 控制要求的 PWM 控制，确保微机有充足的时间完成对系统的检测、保护和控制。SA8282 是一种特殊的 LCD，由一个独立的单片机组成，能完成波形、频率和幅度等控制。2.2.3智能逆变模块选型针对小型、高可靠性的驱动装置，在电动机供电 方 面，选 用 智 能 逆 变 模 块（Intelligent Inverter Module，IPM）作为智能动力模块。新型的三相异图 1执行机构控制系统原理框图 882023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）步电动机，其输出的能量在 5.5 kW 以下，具有 380 V的 额 定 电 压 和 0.75 的 能 量 因 子，经 过 对 日 本 的PM5ORSA120 型智能型电源模块进行了仿真和分析，得出了该方案能够达到设计的目的。本电源模组具有电源转换、驱动电路、制动电路等功能，具有过电流、短路、欠电压、过温、过热等功能，是一种高效能的电源转换装置。2.2.4位置检测电路设计定位电路是控制系统中的一个关键部件，其作用是为控制系统的定位提供精确的定位信息，其中最重要的是选择合适的位置传感器。目前，电位器大多使用线圈电位器、差分变换器、导电塑料电位器等，线圈式电阻因使用年限较长而被废弃。差分变换器因其线性范围过小、温度不佳等原因而受限。现在比较受欢迎的是导电塑胶电位计，但是由于其具有接触性，使用时间短，准确率低。本文使用的位置测量装置为一系列无接触的脉动数字传感，具有高精度、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等优点。2.2.5电压、电流及检测设计电压、电流的检测主要是用来进行电动机转矩的测量，并对其进行短路、断相保护和逆变器的故障进行分析。由于变频电源的电压和电流在 0 50 Hz之间，常规的电流电压互感器难以适应。为迅速反映三相的电流，使用霍尔电流变压器来测量IPM的三相，而IPM的输出电压则由分压回路来进行。2.2.6通信接口设计采用 MAX232串行通信接口，以及两个等值变换器，将 8031串行端口的 TTL信号变换到 RS-232，并将其他微型计算机发送的 RS-232 电平转化为TTL 信号到 8031 串行端口，从而使单片机与其他微型计算机通信。2.2.7时钟电路设计时钟电路的设计，包括取样和控制周期，计算速度所需的时间和日程表。选择了 DS12887 的时钟信号源。DS12887内置了 114个非易失性 RAM，用于长时间存储相关资料。2.2.8液晶显示单元选型采用 MGLS12832 LCD 作为显示电路，使用了配置模式，可根据菜单进行选型，分别对阀门、力矩、限位进行控制，以及对电机、通信和参数等设定和调整。同时，利用了文字与图像的组合，使其直观、清晰。2.2.9程序出格自恢复电路设计采用 MAX705构成的程序异常自修复回路，监控软件的运行情况。主要包括 MAX705、AND门和差动控制。其工作方式如下：当程序越界时，WDO从高到低，“与非”栅极的输入管针二因差动而变成高电平，二级的改变导致“与非”栅极的输出一个正脉冲，从而导致单片机一次重置，重置完成后，再经P1.0 端口将正脉冲送至 MAX705 的 WDI 管针，将WDO 管针回复至高电平，然后程序异常自动回复回路，持续监控该程式的操作。3机电一体化中阀位及速度控制设计该系统有内环（速度环）、外环（位置环）两个回路。速度回路的设计是把目前的转速和给定的电压源的设定速度进行对比，利用调速器调整PWM波形的载频，从而利用模糊神经网络对电动机进行调速。外环主要是基于目前的定位转速设置，由一个转速产生装置将转速设置为内环。大流量阀门的工作原理是高速、均匀、降速等。各个相位的时间长短、加速度大小、起始位置等都和指定位置有关，目前的地点和运行的速率相关。速度给定发电机的工作方式是：将给定阀位与真实阀位进行对比，在两者相差不大的情况下，用恒定速度进行加速，并根据当前转速、阀位和阀位给定值的变化来确定减速位置。4关键技术问题的设计采用了最先进的变频器技术，其动力输出在5.5 kW 以下。使用者可以按要求设置扭矩的特点，按所控阀门的转速分为 3种：多转式、直冲式和角冲式。该系统包括阀位置、阀座、反馈信息组成的闭路系统，其控制性能视运行方式、速度而定，并具备过流保护、过载保护、超压保护、欠压、过热、缺相、堵塞等保护。其核心技术问题如下：（1）阀门柔性开关柔性。该装置的作用是确保在阀完全打开或关闭时不会发生卡住和损坏。在执行器中，微处理器对变频调速系统的输出电压和电流进行了准确的运算，得到了输出扭矩。当输出力矩超过所需扭矩时，会使转速下降，防止阀体受到过量冲击，达到最佳的闭合效果。（2）阀位的极限位置判断。阀的极限状态是完全开启和关闭状态。在常规的作动器中，用机械限制器来探测这个部位，机械限制器的精确度较低，操作时容易松散，不稳定。本文利用探测到的定位信息，求出了电执行器的极限位置。其基本思想 89Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control是：通过单片微处理器对当前探测到的位置与前一次探测的信号进行对比，若无改变或改变较少，则视为已经到达了临界点，应立刻切断电动机的电力供应，确保阀完全打开或关闭。因为取消了机械限制，所以不需要在调试过程中进行繁琐的调节。（3）电机保护的实现。为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。在启动后，异步电动机会迅速地达到其工作转速，在接近停机状态时，因机械惯性而切断电源，但阀门不会马上停止，会有一定的超程，这种超程一般是由控制马达反转来纠正的。机电一体化大流量电动执行器，根据当前位置与指定位置的差值和转速的大小，提前决定减速点的位置和减速区间的变化率 ki，使得阀门能够在低速时进行精密调整和定位，将超程降低到最小。隔离仿真信号由于频率变换器的 DC 和三相的输出电压不一致，共模电压很高，因此需要将其相互隔离，以确保系统的安全。该电路由 LM358 与4N25 构成。本文使用了二套独立的正、负电源，分别为土壤 15 V 和 12 V。如果由于干扰，使得运放 A的反相端电势从虚地方向上偏移，那么，放大器 A的输出电势就会下降，从而提高了光耦合器的发射功率，减少了集射电压；最终，输出 A 的逆向电压下降，恢复到原来的水平。如果 A 的反向端电压为负，则能使其恢复到正常的位置，因此提高了系统的抗干扰能力。5机电一体化中未来发展趋势5.1光机电一体化方向普通的机电系统包括传感系统、能源动力系统、信息处理系统和机器系统。通过引入光学技术，充分发挥其固有的特性，可以对传感器、能源、数据进行全面的改善。5.2柔性化方向未来的机电一体化产品，其“冗余度”充足，“柔性”强，能够处理各种紧急情况，属于“自我管理的配送体系”。在这个体系中，各个子系统各自工作，为整个系统提供了各种“自律性”，能够对各种情况作出相应的响应8。其特征是：一个子系统能够生成自身的资讯和被赋予的资讯，而在一般情况下，存在着可以变化的“行动”，通过这种方式，可以使系统的性能（灵活性）得到显著提高，同时不会因为某个子系统的失效而对整个体系产生不利的后果。5.3智能化方向今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要得益于模糊技术与信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展9-10。6机电一体化工程价值首先，在今后的电动机保护控制设备的发展中，一定会应用到失效模型和模拟运算，引进相位量、破坏量等多种类型的检测，并进行有关资料的分析与研究，做好“量”的研究工作，是可以进步保护和增强继电装置的使用精度的，该方法的使用还可以为今后的电机保护装置的理论研究提供可靠的数据，对于未来保护控制设备的临界值打破有帮助。其次，注重科技的发展和应用，也是今后发展的一个新的发展趋势。例如，对电动机装置进行监控，采用了某些新科技的新产品，对其工作状态进行了测试。最后，通过对各个设备的进度进行判定，对收集到的有关资料进行分类，采用比较分析方法进行进度错误的注册和分类，并在此基础上进行相应的调整。这样既能使电动机的控制和防护工作得到实施，又能对突发故障进行早期的报警，从而达到对事故进行有效防范。7结语机电一体化控制系统，将微型计算机技术与执行器技术相结合，是一种新型的机电一体化控制装置，采用内置的一体化变频调速装置对电机进行控制，从而使同一执行器在一定值范围内，能够实现不同的工作转速和断开扭矩。本发明的智能执行器使用 LCD 技术，通过内部的 LCD 显示屏，不但能显示阀门的开启和关闭状态，而且在正常工作状态下，阀门的开度也可以根据菜单进行设置，在系统发生故障时，将故障信息显示出来。综合测量、决断、执行三种功能，符合电子执行机构的发展方向，其成功的研发为电动执行机构的研发开辟了一条新途径。参考文献：1 罗 军.机 电 一 体 化 中 的 电 机 控 制 与 保 护J.硅 谷，2012（23）：2.2 王晓辉.浅谈机电一体化应用中的电机控制与保护 J.机电信息，2012（12）：2.（下转第 101页）902023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）与维护，根据电网设备类型与型号等制定有针对性的养护方案，从而实现智能电网良好运行。此外，需建立智能配电网检测监督体系，通过监督体系实时监督发现配电网运行中存在的问题，并及时进行维护与保养。5.2强化配电网预测评估强化配电网预测评估，对于利用智能配电网关键技术来实现城市配电网良好规划具有积极的作用。在实际工作中，需要对电网的负荷进行准确的预测，避免出现配电网超负荷情况。配电网工作人员需要从城市电网特点出发，对不同时期的负荷进行准确预测，根据预测结果制定一个具体规划，确保城市配电网良好运行。同时，需要对智能配电网进行经济评估，根据配电网各项指标，选择更为合适的建设方案，在实现城市配电网良好供电的同时实现经济利益最大化。5.3构建城市智能配电网规划，实现城市网格化管理工作一方面，充分利用先进技术对智能配电网体系进行优化和改造；另一方面，基于网格化城市服务平台的网络架构与相应数据处理体系，为整体配电网网络布局提供科学决策依据。经过优化完善后,城市智能配电网将形成“智能、可靠、经济”的电力体系，并在网格化城市运行过程中发挥出重要作用。其中包含电网数据采集、故障信息采集、运行监测、负荷分析、用电信息采集、互动及事件响应等内容。通过合理布局网格区域内所有电力设施，建立一个适应高负荷、安全可靠供电的配网体系，采用“以数据为中心、以模型为基础、以网格为载体”的思路，优化智能配电网体系结构。最后，电力公司要做好人员的培训和技术优化工作，摒弃以往“重技术，轻人才”观念，加强对技术型人才的引进，提高各岗位人员专业能力，最大限度发挥人员主观能动性。根据网格化城市智能配电网规划目标及指标要求，以及相关环境情况制定配电网的分解与目标考核。6结语伴随着时代的发展与进步，我国整体科技水平得到了大幅度提升，促使电力企业始终保持很好的发展态势，对中压配电网的运行管理也提出了很高的要求。为确保用户用电质量与安全，必须强化配电网运行管理工作。然而，中压配电网系统运行还存在着一系列的缺陷，因此，应针对配电网实际情况提供合理的问题处理方案，这就需要强化对供电网格技术的研究，不断提升整体技术水平，以更好地处理中压配电网规划中的问题，从而确保现代电力行业高速、可持续的发展。参考文献：1 梁劲雄.基于供电网格优化划分的中压配电网规划策略探讨J.中国高新技术企业，2022（22）：26-27.2 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