毕业论文-机电一体化专业.docx

云南能源职业技术学院成人教育学院毕业论文名： 层 次：专 科专业班级：设计题目：机电一体化中的电机控制与保护指导教师：职称：二0 一五年十月摘要及关键词 1第1章机电一体化技术发展历程及其趋向 21.1机电一体化技术发展历程 21 2机电一体化发展趋向 2第2章机电一体化中电动执行机构的硬件设计及工作原理 52 1系统工作原理 6第3章机电一体化中阀位及速度控制原理 8第4章关键技术问题的解决 9第5章机电一体化中继电器保护的现状与发展 1151继电保护发展现状 115.2继电保护的未来发展 125.2.1计算机化 1252.2网络化 1352.3保护、控制、测量、数据通信一体化 1452.4智能化 15结束语 15参考文献 16机电一体化中的电机控制与保护摘 要：依据机电一体化技术的发展前景，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 决方法该执行机构将阀门、伺服电机、控制器合为一体，采用8031单片机、变频技术实现 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 机保护及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，充分利用了机电一体化技术带来的方便快捷.关键词：电动机阀门继电器保护 机电一体化技术总结第1章机电一体化技术发展历程及其趋向机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和 进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、 人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化1机电一体化技术发展历程1、 数控机床的问世,写下了”机电一体化〃历史的第一页；2、 微电子技术为”机电一体化'’带来勃勃生气；3、 可编程序控制器、〃电力电子〃等的发展为”机电一体化”提供了坚强基础；4、 激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使〃机电一体化”跃上新台阶.1.2机电一体化发展趋向1、 数字化微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而 计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等 数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友 好人机界面.数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复.2、 智能化即要求机电产品有一定的智能，使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能 力。

例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给 使用、操作和维护带来极大的方便.随着模糊控制、神经网络、灰色理论、小波理论、混沌与 分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地.3、 模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、 环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作如研制具有集减速、变频 调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单 元等这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品4、 网络化由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾而远程控制的终端设 备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网 络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分 享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展5、 人性化机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人 性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境 相协调，使用这些产品，对人来说还是一种艺术享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体 化。

6、 微型化微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要微机电系统（Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、 微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统自 1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出 第一个微电机以来，国内外在MEMSX艺、材料以及微观机理研究方面取得了很大进展，开发 出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器）， 各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）7、 集成化集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包 含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序为了实现多品种、小批量生 产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性.首先可将系统分解为若干层次，使系统功 能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来， 使其性能最优、功能最强。

8、 带源化是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池由于在许 多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处带源化 是机电一体化产品的发展方向之一9、 绿色化科学技术的发展给人们的生活带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态 环境恶化的后果所以,人们呼唤保护环境，回归自然，实现可持续发展，绿色产品概念在这种 呼声中应运而生绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品 在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要 是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用10、 光机电一体化一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成 的.因此，引进光学技术，实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系 统、能源（动力）系统和信息处理系统光机电一体化是机电产品发展的重要趋向11、 自律分配系统化一-柔性化未来的机电一体化产品，控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能 较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统〃.在自律分配系统中，各个子系统是相互独立 工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不 同反应.其特征是子系统可产生本身的信息并附加所给信息,在总的前提下，具体“行动”是 可以改变的。

这样，既明显地增加了系统的适应能力（柔性），又不因某一子系统的故障而影响 整个系统12、 全息系统化一一智能化.今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显智能化水平越来越高这主要收益于模 糊技术、信息技术（尤其是软件及芯片技术）的发展除此之外，其系统的层次结构，也变简 单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系13、 “生物一软件”化一仿生物系统化.今后的机电一体化装置对信息的依靠性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳 定，但在动态（工作）时却是稳定的这有点类似于活的生物摘要：当控制系统（大脑）停止工 作时，生物便“死亡〃，而当控制系统（大脑）工作时，生物就很有活力仿生学探究领域中 已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体 具有活的“生命”还有待于深入探究这一探究领域称为“生物一一软件〃或“生物系统”， 而生物的特征是硬 件（肌体）一-软件（大脑）一体，不可分割看来，机电一体化产品虽然 有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走14、 微型机电化一一微型化目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元 件。

当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了届时机械和电子完 全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种 自律元件这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向第2章机电一体化中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框图如图2-1所示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hJaSjaa■ r ■ **!■机网Hit*-w【PH■虬JzdlTwa鹫卜惚jkl.殖山1 —E•也三「•T_片正.二丘电段 n2-1电命阻汀甘LHJ脱制吊境相博2.1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。

2.2控制系统各功能元件的选型与设计1、 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；2、 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.3、 智能逆变模块I PM为了满足执行机构体积小，可靠性高的要求，电机电源采用智能 功率模块IPM。

该执行机构主要适用功率小于5. 5kW的三相异步电机，其额定电压为380V, 功率因数为0. 75经计算可知，选用日本产的智能功率模块PM50RSA120可以满足系统要求 该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体，并内置过电流、短路、欠电压和过热保 护以及报警输出，是一种高性能的功率开关器件4、 位置检测电路位置检测电路是执行机构的重要组成部分，它的功能是提供准确的位置 信号关键问题是位置传感器的选型在传统的电动执行机构中多采用绕线电位器、差动变 压器、导电塑料电位器等.绕线电位器寿命短被淘汰差动变压器由于线性区太短和温度特性 不理想而受到限制.导电塑料电位器目前较为流行，但它是有触点的，寿命也不可能很长，精 度也不高笔者采用的位置传感器为脉冲数字式传感器，这种传感器是无触点的，且具有精 度高、无线性区限制、稳定性高、无温度限制等特点5、 电压、电流及检测检测电压、电流主要是为了计算电机的力矩，以及变频器输出回 路短路、断相保护和逆变模块故障诊断由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0〜50Hz， 。