智能化執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

引言

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置,它利用某種驅(qū)動(dòng)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(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)噪聲大:同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。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(jì),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(jì)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(jì)并生產(chǎn)了DDZ-I、Ⅲ型電驅(qū)動(dòng)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)90年代,國內(nèi)電驅(qū)動(dòng)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(diǎn):(1)總線控制:(2)純電驅(qū)動(dòng):(3)具備故障自診斷、自保護(hù)功能。

1總體方案設(shè)計(jì)

智能化執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作負(fù)載較大,啟閉時(shí)間較短,直接采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案,需要較大規(guī)格的電機(jī),尺寸要求較難實(shí)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(dòng)器、電機(jī)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制器,驅(qū)動(dòng)控制器經(jīng)閉環(huán)運(yùn)算精確控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)降速增扭,其輸出端與球閥或其他需驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)連接,實(shí)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(shí)時(shí)記錄并反饋來精確控制。驅(qū)動(dòng)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(dòng)器設(shè)計(jì)

選用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)器,控制驅(qū)動(dòng)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(yùn)行閉環(huán)控制算法,控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)按控制系統(tǒng)指令動(dòng)作。

1.2.1控制器硬件部分設(shè)計(jì)

控制驅(qū)動(dòng)器主要由DsP處理器電路、PwM放大隔離電路、功率驅(qū)動(dòng)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(jì)

利用磁場定向控制算法(矢量控制)實(shí)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(shí)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(dòng)器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)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(yùn)行指示燈閃爍:不通信時(shí),運(yùn)行指示燈常亮。

1.3.2自診斷與自保護(hù)功能實(shí)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(yùn)行狀態(tài)等,通過本地指示燈的亮滅加以指示:同時(shí),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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測到執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置超限時(shí),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(shí)給出位置超限報(bào)警,提示手動(dòng)恢復(fù)至設(shè)定區(qū)間。

2設(shè)計(jì)計(jì)算與選型

2.1驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)計(jì)算

轉(zhuǎn)矩計(jì)算是選擇驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

以20通徑球閥為例,計(jì)算得到球閥啟閉時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩約25Nm。

2.2減速器選型

考慮到實(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)快速啟閉,輸出軸轉(zhuǎn)速按30r/min計(jì)算?？紤]電機(jī)效率,經(jīng)過初步計(jì)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(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)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(yàn)證,結(jié)果如表1所示。

可見,執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項(xiàng)功能均滿足設(shè)計(jì)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(jì),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(diǎn)。

(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(jì)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(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項(xiàng)功能均滿設(shè)計(jì)足要求。