引言

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動裝置,它利用某種驅(qū)動能源并在特定控制信號下工作。目前,球閥、蝶閥等大量使用液壓驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。液壓驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在使用過程中相對比較穩(wěn)定,但是其油源系統(tǒng)及管路振動噪聲大:同時液壓驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積較大,安裝、使用和維修較難,存在油泄漏造成性能下降、能源利用率低等缺點。隨著科技發(fā)展,國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)相繼開展了新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計,執(zhí)行機(jī)構(gòu)向小型化、集成化、智能化發(fā)展。

20世紀(jì)80年代起,國外相繼推出了符合各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu),在工業(yè)現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)用效果,如英國RoToRK(羅托克)生產(chǎn)的IO系列智能執(zhí)行器、德國Hartmann&Braum公司生產(chǎn)的新一代智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)MoE700等。德國sIEMENs公司、美國vALTEK公司和LIMIToROUE公司等也設(shè)計并生產(chǎn)了功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡單的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

我國智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制起步較晚。20世紀(jì)80年代我國自行設(shè)計并生產(chǎn)了DDZ-I、Ⅲ型電驅(qū)動智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)90年代,國內(nèi)電驅(qū)動智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)廠家逐步引進(jìn)國外技術(shù)或進(jìn)行產(chǎn)品仿制,但由于材料、工藝水平等不過關(guān),而與進(jìn)口原裝產(chǎn)品有一定差別。

針對上述問題,本文研制了一種智能化執(zhí)行機(jī)構(gòu),該執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有如下特點:(1)總線控制:(2)純電驅(qū)動:(3)具備故障自診斷、自保護(hù)功能。

1總體方案設(shè)計

智能化執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作負(fù)載較大,啟閉時間較短,直接采用電機(jī)驅(qū)動方案,需要較大規(guī)格的電機(jī),尺寸要求較難實現(xiàn)。采用減速器來對電機(jī)進(jìn)行降速增扭的方案,配以合適的減速比,既可滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩的需求,又可選擇小規(guī)格電機(jī)以減小總體尺寸。

1.1方案組成及原理

智能化執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由控制驅(qū)動器、電機(jī)、減速傳動機(jī)構(gòu)、手動操作等組成,各部件之間串行布置。

上位機(jī)通過CAN總線發(fā)送指令至驅(qū)動控制器,編碼器將電機(jī)輸出位置和轉(zhuǎn)速信號傳遞至驅(qū)動控制器,驅(qū)動控制器經(jīng)閉環(huán)運算精確控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動減速傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)降速增扭,其輸出端與球閥或其他需驅(qū)動的機(jī)構(gòu)連接,實現(xiàn)球閥等按指令啟閉。閥門等的位置通過集成在輸出端處的多圈編碼器實時記錄并反饋來精確控制。驅(qū)動控制器通過CAN總線將狀態(tài)信息反饋給上位機(jī)。

1.2控制驅(qū)動器設(shè)計

選用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。上位機(jī)通過CAN總線將開關(guān)指令發(fā)送給控制驅(qū)動器,控制驅(qū)動器接收指令,采集編碼器信號和永磁同步電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù),運行閉環(huán)控制算法,控制驅(qū)動電機(jī)按控制系統(tǒng)指令動作。

1.2.1控制器硬件部分設(shè)計

控制驅(qū)動器主要由DsP處理器電路、PwM放大隔離電路、功率驅(qū)動電路、CAN總線接口電路、電壓/電流采樣電路、硬件保護(hù)電路、電源變換電路、編碼器轉(zhuǎn)換電路等組成。

1.2.2控制器軟件部分設(shè)計

利用磁場定向控制算法(矢量控制)實現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的全數(shù)字交流伺服控制。電機(jī)控制程序主要包括以下幾部分:系統(tǒng)初始化子程序、電壓/電流采樣子程序、電機(jī)位置檢測子程序、電流環(huán)/速度環(huán)/位置環(huán)子程序、電機(jī)磁場定向控制子程序、CAN通信子程序、故障保護(hù)子程序。

電流環(huán)調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器、位置環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器,其中位置環(huán)給定接收用戶控制指令,反饋信號是電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,經(jīng)過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出作為速度環(huán)的給定,電機(jī)轉(zhuǎn)速作為速度環(huán)的反饋信號,經(jīng)過速度環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后作為p軸電流的給定。d軸電流給定i4*=0,d軸和p軸的電流反饋由電流傳感器采集電機(jī)三相電流經(jīng)過CLARK、PARK變換得到,d、p軸電流調(diào)節(jié)器的輸出作為sVPwM模塊的給定,經(jīng)過sVPwM調(diào)制后得到六路PwM開關(guān)信號,控制IPM模塊逆變橋電路。

一旦發(fā)生過流過壓故障,母線電被切斷,PwM信號被封鎖,故障信息可通過本地LED指示燈進(jìn)行指示,也可在上位機(jī)上提示。

1.3控制策略

1.3.1控制流程

當(dāng)系統(tǒng)初始化結(jié)束進(jìn)入中斷等待階段時控制器電源指示燈亮:判斷系統(tǒng)是否有故障發(fā)生,若有則禁止使能PwM,故障LED指示燈亮:系統(tǒng)正常,開關(guān)指令輸入,控制驅(qū)動器控制驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)閥門的開啟或者關(guān)閉,到位后,電機(jī)停轉(zhuǎn)。通信過程中,運行指示燈閃爍:不通信時,運行指示燈常亮。

1.3.2自診斷與自保護(hù)功能實現(xiàn)

自診斷功能由控制器對閥門各工作狀態(tài)進(jìn)行判斷,并在本地及遠(yuǎn)程進(jìn)行指示。指示內(nèi)容包括是否上電、開關(guān)是否到位、閥運行狀態(tài)等,通過本地指示燈的亮滅加以指示:同時,系統(tǒng)電壓、電流以及閥門位置信息可在上位機(jī)界面中進(jìn)行實時讀取并顯示,在軟件中根據(jù)測量的物理量判斷具體的故障模式,如過流過壓故障、傳感器故障、電機(jī)缺相、閥門卡死等。

自保護(hù)功能包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、位置超限保護(hù)等。過流、過壓保護(hù)通過硬件電路實現(xiàn)。當(dāng)檢測到執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置超限時,首先通過機(jī)構(gòu)自身校正,恢復(fù)至設(shè)定區(qū)間:當(dāng)機(jī)構(gòu)無法通過自身校正時給出位置超限報警,提示手動恢復(fù)至設(shè)定區(qū)間。

2設(shè)計計算與選型

2.1驅(qū)動轉(zhuǎn)矩設(shè)計計算

轉(zhuǎn)矩計算是選擇驅(qū)動裝置的功率、結(jié)構(gòu)及主要部件參數(shù)的基礎(chǔ)。球閥轉(zhuǎn)矩計算公式如下:

式中,Mm為球體與閥座間的摩擦轉(zhuǎn)矩:Mt為閥桿與填料間的摩擦轉(zhuǎn)矩:Mμ為閥桿與止推墊間的摩擦轉(zhuǎn)矩:Mc為閥桿與軸承間的摩擦轉(zhuǎn)矩:M0為流體流動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

以20通徑球閥為例,計算得到球閥啟閉時的最大轉(zhuǎn)矩約25Nm。

2.2減速器選型

考慮到實際使用過程中的環(huán)境差異、減速器效率及其余摩擦和安全系數(shù)問題,取執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩Mmax=30Nm。

選用結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)的諧波齒輪減速器。減速比為100,額定扭矩M≈30Nm,最大扭矩Mmax≈66Nm。

2.3電機(jī)參數(shù)選型

執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸最大扭矩Mmax=30Nm,啟閉時間要求＋1s,球閥轉(zhuǎn)角90i,在不考慮電機(jī)加減速的情況下,輸出軸轉(zhuǎn)速至少應(yīng)保證15r/min,為實現(xiàn)快速啟閉,輸出軸轉(zhuǎn)速按30r/min計算?？紤]電機(jī)效率,經(jīng)過初步計算,在保證合理性能余量的前提下,選定伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min,額定轉(zhuǎn)矩0.32Nm,最大轉(zhuǎn)矩0.64Nm。

3樣機(jī)試驗

根據(jù)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)試制,并對樣機(jī)進(jìn)行了功能驗證,結(jié)果如表1所示。

可見,執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項功能均滿足設(shè)計要求。

4結(jié)論

(1)本文對智能化執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計,確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體方案,各元器件串行布置,具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點。

(2)提出了故障自診斷與自保護(hù)解決方案,提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能化水平。

(3)通過計算確定主要元器件參數(shù),完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)試制,并進(jìn)行了試驗驗證,結(jié)果表明,執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項功能均滿設(shè)計足要求。