开题报告 - 电动执行控制器的保护部分

西安交通大学城市学院

本科毕业设计（论文）开题报告

题目电动执行控制器中保护部分的设计

所在系电气与信息工程系

学生姓名李昂

专业电气工程及其自动化

班级电气803 学号08010226 指导教师张鹏辉

2012年3月

对题目的陈述

1.选题意义与国内外研究现状

1.1研究电动执行控制器保护电路的意义

早期的工业领域，有许多的控制是手动和半自动的，在操作中人体直接接触工业设备的危险部位和危险介质（固、液、气三态的多种化学物质和辐射物质），极易造成对人的伤害，很不安全；并且人工操作会造成,设备寿命短、易损坏、维修量大；采用半自动特别是手动控制的控制效率很低、误差大，生产效率低下。

基于以上原因，执行机构逐渐产生并应用于工业和其它控制领域，减少和避免了人身伤害和设备损坏，极大的提高了控制精确度和效率，同时也极大提高了生产效率。近年来随着电子元器件技术、计算机技术和控制理论的飞速发展，国内外的执行机构都已跨入智能控制的时代。

执行机构，又称执行器，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备（器件），是自动化仪表的三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备。主要是对一些设备和装置进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业,提高生产效率。按动力类型可分为气动、液动、电动、电液动等几类；由于用电做为动力有其它几类介质不可比拟的优势，所以电动型近年来发展最快，应用面较广。电动型按不同标准又可分为：组合式结构和机电一体化结构；电器控制型、电子控制型和智能控制型（带HART、FF协议）；数字型和模拟型；手动接触调试型和红外线遥控调试型等。

电动执行控制器的工作就是精确的控制开关阀门等设备，其主要结构分为控制部分，保护部分，和电机驱动部分组成。生产力的智能化，是科技飞速发展的必然产物。但它也是一把双刃剑，在带来各种便利和利益的同时，也要解决它的瑕疵和弊端。所以在一个只能产品的投入使用之前，一定会把其安全性考虑进去。电动执行控制器的保护部分的设计就至关重要，安全是一切的前提，保护，主要来自过温度，过力矩和电机过电流的保护。本设计主要完成对于电动执行器的保护部分的设计。

1.2 电动执行控制器目前国内外研究现状

1.2.1 国内现状

我国电动执行器的研制起步较晚，是从苏联有触点的执行机构进行仿制开始的，60年代末70年代初，逐步发展了DDZ-II型和DDZ-III型产品。80年代以来，随着电

力电子技术的发展，电动执行器发展快速，无触点的DKJ型角行程和DKZ型直行程电动执行机构两大类产品进入市场，DKJ、DKZ是我国最早的、唯一生产的电动执行器，此产品以结构简单、经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。

智能型的电动执行器实现了智能控制、防护等级高、控制精度较高、重量轻、稳定性好的功能。如上海光辉自动化阀门有限公司生产的RQM系列智能型电动执行机构就具备这些特点，其位置控制基本误差=±1%，重复性误差：（设定行程时间≥25s）≤1%。上海工业自动化仪器仪表研究所开发的RK-Z系列智能电动执行机构采用全封闭、一体化结构；传动系统采用螺杆螺母式，传动平稳、承载能力强、传动精度高；具有自诊断、自调整和PID调节功能。此外，天津贝尔仪表有限公司生产制造的SKJ快速系列（3s或6s，国内最快）特别适用于需要紧急动作的工作场合。

目前国内普遍使用DKJ和DKZ型两大类产品，一些企业使用DKJ、DKZ的更新换代产品，但在控制要求较高的实验、生产控制中，主要是依赖价格较高的国外智能产品。如德国SIPOS、AUMA、EMG，英国ROTORK，法国BERNARD，美国LIMITORQUE等电动执行器。随着各种过程控制要求的不断提高，电动执行器必须提高控制性能，才能真正提高自动控制水平。

1.2.2 国际状况

自1929年LIMITORQUE公司制造出了世界上第一台电动执行机构以来，国际上电动执行器技术水平发展迅速。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器，在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛发展，目前国外己开发出新一代智能化电动执行机构产品，电子计算机技术、微机控制技术己在阀门设计中得到广泛应用。这些智能化电动执行器功能强大、简单可靠、技术先进。国际著名的电动执行器公司英国的ROTORK（罗托克）生产的IQ系列智能化电动执行器，不但具有智能通信、智能控制、支持多种现场总线的功能，而且其独有的双密封系统和红外线非侵入式设定使它可用在任何环境中，防水防暴，终身可靠，调试及故障排除简单。德国Hartmann&Braum公司新一代产品智能电动执行器MOE700实现了智能式电子一体化，变频变速定位，监控等功能。代表着该领域的世界先进水平的公司还有美国的JORDAN公司和LIMITORQUE公司等几家国外著名的公司。JORDAN公司的智能电动执行器突出特点是动作频率高，其动作频率是2000～4000/h，而国内的电动执行器动作频率在2000/h以下，一般动作频率达到1200/h就是很高的了。

国内外围绕局部放电在线监测技术已经展开了大量的研究工作，使该项技术有了很大的发展，取得了很好的效果。其技术已经从窄带系统逐渐过渡到宽带系统乃至超宽带系统。按局部放电过程中会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、气体生成物等现象，相应地出现了脉冲电流法、射频检测法、超高频法、超声波法、气相色谱法等多种检测方法。其中脉冲电流法和超声波检测法应用最为广泛，另外，近年来特高频检测法的应用也越来越受到重视。

2.课题研究的方案设计（方法、手段、技术路线、可行性论证）

经过阅读和查阅大量资料，基本了解了国内电动执行器的原理结构。电动执行器广泛应用于流量控制中，它的作用是接收控制器指令，使阀门的开度产生相应的变化，以达到调节流量的目的。随着微电子技术的发展，电动执行器的结构和性能不断地提高，出现了以微处理器为核心的电动执行器。为了克服传统的电动执行器，精度差，死区大，接线复杂等缺点，远不能适应现代化工业生产的需要。经过对比分析目前主流的单片机，选择ADμC812单片机，本设计是一种基于ADμC812单片机的电动执行器。

电动执行器接受上位控制系统的控制信号，同时接受输出的位置反馈信号，在控制器内对这两个信号进行运算，实现对阀位的闭环调节。控制器还接收来自电动机的过流信号，来自执行器腔内的温度信号，来自减速器的过力矩信号和行程开关信号等，并据此对电动机进行控制，以实现电机的过流过热保护，输出过力矩保护和输出电气限位。

（1）硬件设计

系统有4路模拟量输入，而模拟量要转换为数字量才能用单片机CPU 处理。为提高控制器的性能价格比，应采用内部集成有A/D转换的单片机。系统必须有设定参数和掉电保护功能，在不进行外部扩展的情况下，希望在单片机内部具有可进行读写操作的闪速/电可擦写存贮器。经过各方面的综合比较，最终选用了AD公司ADμC812微转换器作为控制核心。该芯片加上少量的外围电路，就可组成完整的电动执行器控制器，电路结构非常简单。图1是电动执行器的结构框图：

对于模拟电路部分的设计，位置发送器以电位器作为传感器，将执行机构输出轴的角位移转变为电压信号，输入到检测电路，经差分放大，输出和角度对应的电流信号。该信号与上位控制系统送来的反映阀门开度的电流信号，分别经过采样电阻将其输入至ADμC812的A/D转换口。

对过流信号的检测，不用经过比较器，而是采用模拟信号整流分压后直接输入，通过ADμC812自带的A/D转换器进行检测，并进行软件比较，以确定是否过流。

过热检测使用温度传感器AD590，经过放大和信号调理后，输出0.0~2.5V的电压信号送入ADμC812的模拟输入端，经A/D转换后通过软件和设定值进行比较，实现温度检测和过热保护。

（2）软件设计

系统软件由主程序、键盘服务程序和子程序组成。程序选用C语言编写，采用模块化设计，编译完成通过串行口下载到ADμC812的片内FLASH存贮器中。子程序主要由初始化、数据采集、控制运算和输出、运行状态显示、报警输出、通信子程序组成。键盘服务通过定时查询方式，实现各种状态转换的显示和参数的输入。程序流程图如图3所示。

由于电动机的惯性，位反信号的滞后等原因，在控制算法中，若采用传统的控制，往往容易造成超调，造成电动机的频繁动作。在控制运算和输出子程序中，采用新的控制算法，即比例一脉冲控制。在阀门的实际开度和信号偏差较大时采用比例控制，在偏差较小时采用脉冲控制，其脉冲宽度为T p=T×D+T0，其中T为时间常数；D为位反偏差；T0为执行机构启动的最小时间。

CAN通信服务子程序采用一个监控网络，即在CAN总线上有一台上位计算机节点和若干个电动执行器节点。电动执行器要传送的数据有阀门的实际开度和各种参数，故障报警时的数据等，在上位计算机向电动执行器发出请求数据要求且电动执行器收到数据时，电动执行器将现场采集的数据打包发送给上位计算机。当现场出现故障时，电动执行器则不等上位计算机发出请求数据要求，就将故障数据发送。

电动执行器工作在比较恶劣的电磁环境下，抗干扰性设计尤为重要。由于ADμC812内部存在看门狗电路，在程序中通过WDTCON 控制寄存器设置定时时间，通过WDC.1

使能启动看门狗定时器，实现对程序执行过程的监控。

3.主要进度安排

1—2周：查阅并搜集电动执行控制器的相关资料；熟悉相关

软件（protel99se,vision等画图工具）的使用；复习模电、单片机等电路方面的相关知识；撰写开题报告，并反复的加以修正；通过分析已有的系统及相关资料，确定本次毕业设计的方案和思路。

3—5周：设计各单元电路；选择适当的电路（滤波电路、高速A/D转换器、放大电路等）；并对其参数进行设计、计算和仿真；用PROTEL画电路图。

6—7周：根据电路原理图设计并制作PCB印制电路；在面包板上搭实验电路；并对器件进行组合和安装。

8—9周：对电路进行仔细地调试和测试；记录实验数据及结果；针对结果进行分析，修改问题、提高性能；并完成外文资料翻译。

10—11周：对实验数据及结果进行整理和总结；并整理本次设计的所有相关资料。12—15周：根据所搜集到的相关知识和文献资料及整个设计的实验过程及结果撰写毕业设计论文；论文答辩；以及制作PPT等。

4.参考文献目录

[1]高鹏，安涛，寇怀成. 电路设计与制版Protel 99入门与提高[M].北京：人民邮电出版社，2000.

[2] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3] 孙肖子，邓建国.电子设计指南[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 阎治安，崔新艺，苏少平.电机学[M].西安：西安交通大学出版社2006年8月.

[5]申忠如，申淼，谭雅丽. MCS-51单片机原理及系统设计[M].西安：西安交通大学出版社，2008.

[6] 刘书明,冯小平.数据采集系统芯片ADuC812原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[7]杨拴科. 模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.

[8]楼永坚，吴鹏，徐恩友.C语言程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2006年10

月.

[9] 曹承志.电机，拖动与控制[M].北京：北京机械工业出版社，2000.4.

[10] 申忠如，郭福田，丁晖.现代测试技术与系统设计[M].西安：西安交通大学出版社.2009.10

学生（签名）：李昂2012 年3 月3日

对开题报告的审查意见

指导教师意见：

指导教师（签名）：2012 年3月3 日

专业审查意见：（主要对题目难度、工作量、准备工作、方案设计给出评价）

负责人（签名）：年月日系审批意见：

负责人（签名）：年月日