智能化执行机构设计研究

引言

执行机构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特定控制信号下工作。目前,球阀、蝶阀等大量使用液压驱动的执行机构被广泛应用。液压驱动执行机构在使用过程中相对比较稳定,但是其油源系统及管路振动噪声大:同时液压驱动执行机构体积较大,安装、使用和维修较难,存在油泄漏造成性能下降、能源利用率低等缺点。随着科技发展,国内外多家机构相继开展了新型执行机构设计,执行机构向小型化、集成化、智能化发展。

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机构,在工业现场取得了较好的应用效果,如英国RoToRK(罗托克)生产的IO系列智能执行器、德国Hartmann&Braum公司生产的新一代智能执行机构MoE700等。德国sIEMENs公司、美国vALTEK公司和LIMIToROUE公司等也设计并生产了功能强大、结构简单的执行机构。

我国智能执行机构的研制起步较晚。20世纪80年代我国自行设计并生产了DDZ-I、Ⅲ型电驱动智能执行机构。20世纪90年代,国内电驱动智能执行机构生产厂家逐步引进国外技术或进行产品仿制,但由于材料、工艺水平等不过关,而与进口原装产品有一定差别。

针对上述问题,本文研制了一种智能化执行机构,该执行机构具有如下特点:(1)总线控制:(2)纯电驱动:(3)具备故障自诊断、自保护功能。

1总体方案设计

智能化执行机构工作负载较大,启闭时间较短,直接采用电机驱动方案,需要较大规格的电机,尺寸要求较难实现。采用减速器来对电机进行降速增扭的方案,配以合适的减速比,既可满足执行机构输出转矩的需求,又可选择小规格电机以减小总体尺寸。

1.1方案组成及原理

智能化执行机构主要由控制驱动器、电机、减速传动机构、手动操作等组成,各部件之间串行布置。

上位机通过CAN总线发送指令至驱动控制器,编码器将电机输出位置和转速信号传递至驱动控制器,驱动控制器经闭环运算精确控制电机的运转。电机驱动减速传动机构实现降速增扭,其输出端与球阀或其他需驱动的机构连接,实现球阀等按指令启闭。阀门等的位置通过集成在输出端处的多圈编码器实时记录并反馈来精确控制。驱动控制器通过CAN总线将状态信息反馈给上位机。

1.2控制驱动器设计

选用永磁同步电机作为驱动电机。上位机通过CAN总线将开关指令发送给控制驱动器,控制驱动器接收指令,采集编码器信号和永磁同步电机状态数据,运行闭环控制算法,控制驱动电机按控制系统指令动作。

1.2.1控制器硬件部分设计

控制驱动器主要由DsP处理器电路、PwM放大隔离电路、功率驱动电路、CAN总线接口电路、电压/电流采样电路、硬件保护电路、电源变换电路、编码器转换电路等组成。

1.2.2控制器软件部分设计

利用磁场定向控制算法(矢量控制)实现对永磁同步电机的全数字交流伺服控制。电机控制程序主要包括以下几部分:系统初始化子程序、电压/电流采样子程序、电机位置检测子程序、电流环/速度环/位置环子程序、电机磁场定向控制子程序、CAN通信子程序、故障保护子程序。

电流环调节器、速度环调节器、位置环调节器采用PI调节器,其中位置环给定接收用户控制指令,反馈信号是电机转子位置,经过调节器调节输出作为速度环的给定,电机转速作为速度环的反馈信号,经过速度环调节器调节后作为p轴电流的给定。d轴电流给定i4*=0,d轴和p轴的电流反馈由电流传感器采集电机三相电流经过CLARK、PARK变换得到,d、p轴电流调节器的输出作为sVPwM模块的给定,经过sVPwM调制后得到六路PwM开关信号,控制IPM模块逆变桥电路。

一旦发生过流过压故障,母线电被切断,PwM信号被封锁,故障信息可通过本地LED指示灯进行指示,也可在上位机上提示。

1.3控制策略

1.3.1控制流程

当系统初始化结束进入中断等待阶段时控制器电源指示灯亮:判断系统是否有故障发生,若有则禁止使能PwM,故障LED指示灯亮:系统正常,开关指令输入,控制驱动器控制驱动电机正反转实现阀门的开启或者关闭,到位后,电机停转。通信过程中,运行指示灯闪烁:不通信时,运行指示灯常亮。

1.3.2自诊断与自保护功能实现

自诊断功能由控制器对阀门各工作状态进行判断,并在本地及远程进行指示。指示内容包括是否上电、开关是否到位、阀运行状态等,通过本地指示灯的亮灭加以指示:同时,系统电压、电流以及阀门位置信息可在上位机界面中进行实时读取并显示,在软件中根据测量的物理量判断具体的故障模式,如过流过压故障、传感器故障、电机缺相、阀门卡死等。

自保护功能包括过流保护、过压保护、位置超限保护等。过流、过压保护通过硬件电路实现。当检测到执行机构位置超限时,首先通过机构自身校正,恢复至设定区间:当机构无法通过自身校正时给出位置超限报警,提示手动恢复至设定区间。

2设计计算与选型

2.1驱动转矩设计计算

转矩计算是选择驱动装置的功率、结构及主要部件参数的基础。球阀转矩计算公式如下:

式中,Mm为球体与阀座间的摩擦转矩:Mt为阀杆与填料间的摩擦转矩:Mμ为阀杆与止推垫间的摩擦转矩:Mc为阀杆与轴承间的摩擦转矩:M0为流体流动产生的转矩。

以20通径球阀为例,计算得到球阀启闭时的最大转矩约25Nm。

2.2减速器选型

考虑到实际使用过程中的环境差异、减速器效率及其余摩擦和安全系数问题,取执行机构输出转矩Mmax=30Nm。

选用结构简单、运动平稳的谐波齿轮减速器。减速比为100,额定扭矩M≈30Nm,最大扭矩Mmax≈66Nm。

2.3电机参数选型

执行机构输出轴最大扭矩Mmax=30Nm,启闭时间要求＋1s,球阀转角90i,在不考虑电机加减速的情况下,输出轴转速至少应保证15r/min,为实现快速启闭,输出轴转速按30r/min计算。考虑电机效率,经过初步计算,在保证合理性能余量的前提下,选定伺服电机额定转速3000r/min,额定转矩0.32Nm,最大转矩0.64Nm。

3样机试验

根据设计结果进行了执行机构样机试制,并对样机进行了功能验证,结果如表1所示。

可见,执行机构各项功能均满足设计要求。

4结论

(1)本文对智能化执行机构进行了初步设计,确定了执行机构总体方案,各元器件串行布置,具有结构紧凑、体积小、重量轻等优点。

(2)提出了故障自诊断与自保护解决方案,提高了执行机构智能化水平。

(3)通过计算确定主要元器件参数,完成执行机构样机试制,并进行了试验验证,结果表明,执行机构各项功能均满设计足要求。