机电一体化毕业设计(论文)-机电一体化智能大流量电动执行机构.doc
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1、 (机电一体化只能大流量电动执行机构) 成都电子机械高等专科学校成教院成都电子机械高等专科学校成教院 毕毕 业业 设设 计(论计(论 文)文) 论文题目:论文题目: 机电一体化智能大流量电动执行机构机电一体化智能大流量电动执行机构 教教 学学 点:点: 指导老师:指导老师: 职职 称:称: 讲师讲师 学生姓名:学生姓名: 学学 号号: : 专专 业:业: 机电一体化技术机电一体化技术 20112011 年年 1 1 月月 1313 日日 (机电一体化只能大流量电动执行机构) 成都电子机械高等专科学校成教院成都电子机械高等专科学校成教院 毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)任务书 题目:机电一
2、体化智能大流量电动执行机构题目:机电一体化智能大流量电动执行机构 任务与要求:任务与要求: 通过此次论文,明白机电一体化智能大流量电动执行机构的基本结通过此次论文,明白机电一体化智能大流量电动执行机构的基本结 构与组成原理。学习单片机、构与组成原理。学习单片机、PWMPWM 波发生器、波发生器、IPMIPM 逆变器、逆变器、 A/DA/D、D/AD/A 转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电转换模块、整流模块、输入输出通道、故障检测和报警电 路等的相关理论知识和实践操作。从而达到对机电一体化智能大流量电路等的相关理论知识和实践操作。从而达到对机电一体化智能大流量电 动执行机构的深入
3、了解与研究。为中国的机械工业贡献自己的一份力量。动执行机构的深入了解与研究。为中国的机械工业贡献自己的一份力量。 时间:时间: 2010 年 11 月 20 日 至 2011 年 1 月 13 日 共 7 周 教教 学学 点:点: 学生姓名:学生姓名: 学学 号:号: 专业:专业: 机电一体化技术机电一体化技术 指导单位或教研室:指导单位或教研室: 指导教师:指导教师: 职职 称:称: (机电一体化只能大流量电动执行机构) 毕业设计毕业设计( (论文论文) )进度计划表进度计划表 日日 期期工工 作作 内内 容容执执 行行 情情 况况 指导教师指导教师 签签 字字 11 月 20 日 至 11
4、 月 25 日 题目拟定 11 月 27 日 至 12 月 2 日 编写大纲 12 月 4 日 至 12 月 15 日 完成初稿 12 月 15 日 至 12 月 23 日 完成终稿 12 月 23 日 至 12 月 29 日 确定终稿 12 月 29 日 至 1 月 6 日 编辑终稿 1 月 6 日 至 1 月 13 日 完成设计 教师对进教师对进 度计划实度计划实 施情况总施情况总 评评 本表作评定学生平时成绩的依据之一。 (机电一体化只能大流量电动执行机构) 摘要 提出一种新型电动执行机构的设计方案,详细介绍了该执行机构各功 能元件的选型与设计、阀位及速度控制原理以及各种关键问题的解决方
5、法。该 执行机构将阀门、伺服电机制器合为一体,采用 8031 技术实现了阀门的动作速 度和位置控制,解决了阀门的精确定位、阀门柔性开关、极限位置判断、电机 模拟信号隔离等技术问题。现场运行情况表明,该电动执行机构具有动作快、 保护完善以及便于和计算机通讯等优点。 在现代化生产过程控制中,执行机构起着十分重要的作用,它是自动控制 系统中不可缺少的组成部分。现有的国产大流量电动执行机构存在着控制手段 落后、机械传动机构多、结构复杂、定位精度低、可靠性差等问题。而且执行 机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比, 一旦出厂,这一速度固定不可调整,其通用性较弱。整个机构缺乏完
6、善的保护 和故障诊断措施以及必要的通信手段,系统的安全性较差,不便与计算机联网。 鉴于以上原因,采用传统的大流量电动执行机构的控制系统,可靠性和稳定性 较差。随着计算机网络、现场总线等技术在工业过程中的应用,这种执行机构 已远远不能满足工业生产的要求。笔者设计的大流量电动执行机构,采用机电 一体化技术,将阀门、伺腹点机、控制器合为一体,利用异步电动机直接驱动 阀门的开与关。通过内置变频器,采用模糊神经网络,实现阀门的动作速度、 精确定位、柔性开关以及电机转矩等控制。该电动执行机构省去了用于控制电 机正、反转的接触器和可控硅换向开关模件、机械传动装置和复杂、昂贵的控 制柜和配电柜,具有动作快、保
7、护较完善、便于和计算机联网等优点。实际运 行表明,该执行机构工作稳定,性能可靠。 关键词:电动执行机构、阀门、位置控制 (机电一体化只能大流量电动执行机构) Abstract The present paper presents a new type of electric actuators, the design of detailed introduces each functor selection and design, the valve position and speed control principle and all key the solution to the pro
8、blem. The actuator valve, servo electrical mechanism ware xed, using 8031 technology to achieve the valve movement speed and position control, solved the valve, the valve accurate location of the flexible switch, limit position judgment, motor analog signal isolating and some other technical problem
9、s. Site operation shows that the electric actuators offer fast, protect perfect and easy and computer communication, etc. In modern production process control, actuators plays an extremely important role, it is the automatic control system indispensable constituent part. The existing domestic big fl
10、ow of electric actuators exist control backward, mechanical transmission mechanism, complicated structure, and positioning accuracy, low reliability issues such as. And the whole operation speed of actuator depends on its motor output shaft rotation speed and its internal reduction gear deceleration
11、 ratio, once they are out, this one is not adjustable speed, its generality fixed are relatively weak. The whole organization lacks perfect protection and fault diagnosis of the measures and the necessary means of communication, the systems security is poorer, inconvenience and computer networking.
12、In view of the above reasons, the traditional big flow of electric actuators, control system, reliability and poor stability. Along with the computer network, the fieldbus technology application in industrial process, this kind of actuators have already far cannot satisfy the industrial production r
13、equirement. The author design of large discharge and electric actuators, adopt the electromechanical integration technology, valve, servo motor, controller xed, use asynchronous motor driven directly valve opening and closing. Through the built-in inverter, using fuzzy neural network, and the realiz
14、ation of the valve movement speed, accurate positioning, flexible switch and motor torque control. The electric actuators are used to control motor is omitted, the reversal of the contactor and silicon controlled directional control switch module, mechanical transmission device and complicated or co
15、stly cabinet and distribution cabinets, have fast, protection is comparatively perfect, facilitate and computer networking, etc. Practical application shows that the actuators work stable, reliable performance. (机电一体化只能大流量电动执行机构) Key words:Electric actuators、valves、position control - 1 - 目录 第一章 电动执行
16、机构的硬件设计及工作原理.- 1 - 第三节 智能逆变模块 IPM .- 5 - 第四节 位置检测电路 - 12 - 第五节 电压及电流检测 - 12 - 第六节 通讯接口 - 14 - 第七节 时钟电路 - 15 - 第八节 液晶显示单元 - 19 - 第九节 程序出格自恢复电路 - 19 - 第二章 阀位及速度控制原理.- 20 - 第三章 关键技术问题的解决.- 22 - 第一节 阀门柔性开关 - 22 - 第二节 电机保护的实现 - 23 - 第三节 准确定位 - 24 - 第四节 模拟信号的隔离 - 26 - 结束语.- 27 - 谢 辞.- 28 - 参考文献.- 29 - (机电
17、一体化只能大流量电动执行机构) - 2 - 第一章第一章 电动执行机构的硬件设计及工作原理电动执行机构的硬件设计及工作原理 电动执行机构控制系统原理。智能执行机构从结构上主要分为控制部分和执行驱动部 分。 控制部分主要由单片机、PWM 波发生器、IPM 逆变器、A/D、D/A 转换模块、整流模 块、输入输出通道、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括三相伺报电机和 位置传感器。 系统工作原理: 霍尔电流、电压传感器及位置传感器检测到的逆变模块三相输出电流、电压及阀门的 位置信号,经 A/D 转换后送入单片机。单片机通过 8255 控制 PWM 波发生器,产生的 PWM 波经光电耦合作用
18、于逆变模块 IPM,实现电机的变频调速以及阀位控制。逆变模块 工作时所需要的直流电压信号由整流电路对 380V 电源进行全桥整流得到。 控制系统各功能元件的选型与设计。 第一节 单片机 选用 INTEL 公司生产的 8031 单片机,它主要通过并行 8255 口担负控制系 统的信号处理:接收系统对转矩、阀门开启、关闭及阀门开度等设定信号,并 提供三相 PWM 波发生器所需要的控制信号;处理 IPM 发出的故障信号和报警信 号;处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号;提供显示电动 执行机构的工作状态信号;执行控制系统来的控制信号,向控制系统反馈信号; MCS-518031 单片机简介
19、: 1.MCS-51 8031 单片机内部结构及特点 图 1-1 为 INTER MCS-51 8031 单片机内部结构图 中央处理单元(8 位):数据处理、测试位,置位,复位,位操作; (机电一体化只能大流量电动执行机构) - 3 - 只读存储器(4KB 或 8KB):永久性存储应用程序,掩模 ROM、EPROM、EEPROM; 随机存取内存(128B、128B SFR):在程序运行时存储工作变量和资料; 并行输入/输出口(I / O)(32 条):作系统总线、扩展外存、I / O 接 口芯片; 串行输入/输出口(2 条):串行通信、扩展 I / O 接口芯片; 定时/计数器(16 位、加
20、1 计数):计满溢出、中断标志置位、向 CPU 提 出中断请求,与 CPU 之间独立工作; 时钟电路:内振、外振; 中断系统:五源中断、2 级优先。 结构特点:MCS-51 系列单片机为哈佛结构(而非普林斯顿结构) 1)内 ROM:4KB 2)内 RAM:128B 3)外 ROM:64KB 4)外 RAM:64KB 5)I / O 线: 32 根(4 埠,每埠 8 根) 6)定时/计数器:2 个 16 位可编程定时/计数器 7)串行口:全双工,2 根 8)寄存器区:工作寄存器区、在内 128B RAM 中,分 4 个区, 9)中断源:5 源中断,2 级优先 10)堆栈:最深 128B 11)布
21、尔处理机:位处理机,某位单独处理 12)指令系统:五大类,111 条。 MCS-58031 单片 2 单片机外部引脚 图 1-2 2 为 INTER MCS-51 8031 单片机外部引脚结构图 (机电一体化只能大流量电动执行机构) - 4 - 1)、主电源引脚:Vss、Vcc。 2)、外接晶振引脚:XTAL1 、 XTAL2。 3)、控制或复位引脚: RST / VPD 两个机器周期高电平,单片机复位。 P0-P3 口:输出高电平 SP : 07H SFR、PC: 清 0 不影响内 RAM 状态,机器从 0 地址开始执行。 ALE / PROG :地址锁存控制端提供 1/6 fosc 振荡频
22、率,输入编程脉冲 EPROM PSEN:外部程序内存的读选通信号端。EA / VPP:EA = 1 ,访问内部程序 内存当 PC 值超过内 ROM 范围(0FFFH)时,自动转执行外部内存的程序 EA = 0 , 只访问外部程序内存。对 8751 机,可施加 21V 编程电源(Vpp) 4)、输入/输出引脚:P0-P3:四个 I / O 口,每口 8 线,共同 32 线。 第二节 相 PWM 波发生器 三相 PWM 波发生器 PWM 波的产生通常有模拟和数字两种方法。模拟法电路 复杂,有温漂现象,精度低,限制了系统的性能;数字法是按照不同的数字模 型用计算机算出各切换点,并存入内存,然后通过查
23、表及必要的计算产生 PWM 波,这种方法占用的内存较大,不能保证系统的精度。为了满足智能功率模块 所需要的 PWM 波控制信号,保证微处理器有足够的时间进行整个系统的检测、 保护、控制等功能,文中选用 MITEL 公司生产的 SA8282 作为三相 PWM 发生器。 SA8282 是专用大规模集成电路,具有独立的标准微处理器接口,芯片内部包含 了波形、频率、幅值等控制信息 的功能特点的功能特点 控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断,以得到一 组等幅而不等宽的矩形脉冲波形并使其逼近正弦电压波形。其方法有模拟方法 和数字方法两种,其中模拟方法的电路比较复杂,且有温漂现象,会影响精度,
24、 降低系统的性能。数字方法则是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点并 将其存入内存,然后通过查表及必要的计算生成波,因此数字方法受内存 影响较大,且与系统精度之间存在着矛盾。是英国公司 生产的全数字化三相发生器,它频率范围宽、精度高,并可与微处理器 进行接口,同时能够完成外围控制功能,因而可实现智能化。中的 (机电一体化只能大流量电动执行机构) - 5 - 每相输出控制电路均由脉冲取消和脉冲延时电路构成。脉冲取消电路用于去掉 脉冲宽度小于取消时间的脉冲,以保证最小输出脉冲宽度大于器件的开关周期。 延时电路可保证死区间隔,其作用是在改变任一相中两个开关器件的状态时提 供一个较短的延迟时间,以使
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