電動機執行器開發

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1原全電子式電動執行器的特點

原9610R系列的全電子式電動執行器是以220V交流單向電源作為驅動電源，驅動電機采用單向交流電機，位置反饋采用高性能導電塑料電位器。

伺服放大器的原理如圖1所示。

①當UY=0時，

K_=Uo/Ux=-[(R4+R5)/R5]×(R6/R1)

②當Ux=0時，

K+=Uo/UY=[R3/(R2+R3)]×[(R4+R5)/R5]×(1+R6/R1)

根據線性疊加原理，Uo=K+UY+K_UX。

由上可知，由于電阻很難做到完全匹配，所以原9610R電動執行器存在著電機正反轉不對稱的問題。電機驅動電路如圖2所示。

圖2中，Uo為從伺服放大器來的電壓信號，當Uo>0.7V時，電機正轉；當Uo<-0.7V時，電機反轉。C1為控制電機制動的電容。

重新設計的全數字電動執行器對電機的驅動電路進行了改進，用±12V的開關量信號的時間長短來控制電機的正反轉，并實現了電動執行器的制功與反向截止功能。新的電機驅動電路如圖3所示。

圖3中，Ukp和Ukn分別為80C196的兩個高速輸出引腳，T2-1/T2-2、T3-1/T3-2、T4-1/T4-2、T5-1/T5-2、T6-1/T6-2、T7-1/T7-2分別為6個光電隔離器。當Uk為+5V高電平時，T2-1/T2-2導通，從而T*-1/T6-2導通使電機正轉；當Uk由高電平到低電平的瞬間，T4-1/T4-2瞬間導通，使得T7-1/T7-2瞬間導通，電機瞬間反轉，電容放電結束后電機停止；同理，當Uk為0V低電平時，電機反轉。這樣便實現了電機正反向控制。

圖3新設計的電機驅動電路

系統輸出與驅動電路之間完全實現了光電隔離，這樣可提高系統的抗干擾能力和可靠性。

2控制系統結構

以80C196KC單片機為核心的全數字電動執行器的控制系統結構如圖4所示。圖4中，除80C196KC單片機外，還選用了X25043實現掉電保護功能，以MAX7219驅動LED數碼管顯示閥位的給定值與反饋值以及閥位的狀態與控制方式；同時，以改進的4～20mA恒流電路直接將閾位反饋信號轉換成4～20mA的信號送至室內模擬二次表顯示，以保證其模擬與數字控制的兼容性。利用80C196KC內部的A/D轉換口，將閥位反饋與閥位模擬給定信號轉換成10位的數字信號，用軟件判斷閥位故障（堵轉，超限），進行故障處理（報警或停機），在控制輸出端與故障處理端用MOC3061光電隔離將單片機系統與電機驅動電路隔離開來，達到抗干擾的目的。

選用1838紅外遙控接收解碼一體化集成芯片，接收來自遙控器的紅外遙控信號。CAN控制器采用Philips的SJA1000集成芯片，CAN總線驅動選用82C250集成芯片，在SJA1000與CAN總線驅動82C250之間用6N137快速光隔進行光電隔離處理，與單片機接口實現單片機與上位機的通信功能。

各部分的主要硬件電路介紹如下。

（1）改進的4～20mA恒流電路

整個恒流電路，由1片集成的4通道運放LM324和6個精密電阻、1個可調電阻、1個瓷片電容及1個二極管組成，電路結構非常簡單，電路如圖5所示。圖5中，R1=R2=R3=R4=R5=100kΩ,R6=200Ω,R7為0～100Ω可調電阻。

從圖5電路可知：在R2、R3、R4、R5這四個電阻匹配得比較好的情況下，U1-U2=U1，通過調節R7使得R6+R7=250Ω,從而Io=U1/250Ω達到使1～5V電壓轉換成4～20mA的目的，且不論輸出端的負載如何變化，這種關系都不會發生變化，達到恒流的目的。為為使該恒流電路可帶的負載盡量大，集成運放LM324的電源最好用+18V電源。

（2）紅外遙控接收電路

作為電動執行機構，在工業過程控制應用時，常常會遇到安裝位置不便于調試的情況。采用紅外遙控調可以說是一個很好的解決方案，可以免去常規調試所需要做的一些工作，比如打開控制盒蓋進行調試線路更改等等。紅外遙控接收芯片采用紅外遙控接收解碼一體化集成芯片1838。電路如圖6所示。

圖6中，電阻和電容組成去耦電路，以抑制電源干擾；除此以外不需要任何外接元件，中心頻率為38kHz。但是，由于1838集成芯片的增益高且不可調，沒有屏蔽，特別容易受到外界的干擾，因此必須采取屏蔽措施。最好的辦法就是利用金屬材料做一個屏蔽盒，將1838裝入，只留紅外接口在外。

我們選用一種通用紅外遙控器作為電動執行機構的調試裝置。80C196KC單片機首先將遙控器各按鍵的命令碼測出，然后對它們分別賦予我們所需要的調試命令，這樣就可使開發周期大大縮短。

圖7CAN總線通信接口電路

（3）上下位機通信

CAN（CantrolAreaNetwork）是控制局域網絡的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，廣泛應用在離散控制領域。其信號傳輸介質為雙絞線。通信速率高達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/5kbps，掛接設備最多可達110個。

CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，以切斷節點與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN總線通信接口電路如圖7的示。

80C196KC的AD15端口作為SJA1000的片選信號，故CAN控制器SJA1000所占用的地址為：8000H～80FFH。使用CAN總線收發器PCA82C250目的是進一步提高CAN總線的驅動能力。它的工作模式由RS控制引腳來提供，取決于斜率電阻（200kΩ可調電阻的阻值）。

上位機通過一塊華控的公司的HK-CAN30BPCI總線非智能隔離型通信板，可對工業現場具有CAN通信接口的儀表和控制設備進行監控。

（4）掉電保護和抗干擾措施

系統實現現電保護的元件采用Maxim公司的X25043。X25043有三種常用的功能：看門狗定時器、電壓監控和E2PROM，組合在單個封裝內。X25043對于要求電路板空間盡可能小的該系統來說是非常適用的，電路如圖8所示。

X25043的看門狗定時器對微控制器80C196提供了獨立的保護系統，可選超時周期有：1.4s、600ms、200ms，也可禁用。當系統故障時，在超出所選的超時周期以后，X25043看門狗將以RESET信號作出反應，使系統復位。利用X25043低VCC檢測電路，可以保護系統使之免受低電壓情況的影響。當VCC降到最小VCC檢測電平時，RESET變為低電平，給系統復位，直到VCC上升到最小VCC檢測電平200ms為止。此外，X25043還具有512×8位串行E2PROM，使得本系統無須另外擴展數據存儲器RAM。

系統的抗干擾措施包括硬件措施和軟件措施。硬件上：①在輸入和輸出通道采用光電隔離來進行信號傳輸，電機驅動電路上采用光電隔離器MOC3061，在上下位機通信電路上采用快速光隔6N137；②在每一個集成電路芯片都安置一個0.01μF的陶瓷電容，以消除大部分高頻干擾；③模擬地與數字地分開；④在CPU抗干擾措施上，除了配置掉電保護電路外，還配置了人工復位和自動上電復位電路。軟件上：①指令冗余，在一些雙字節和三字節指令之后插入兩條NOP指令，以保證跑飛的程序迅速納入正確的控制軌道；②利用軟件陷阱強行將捕獲到的程序引向對程序出錯處理的程序；③啟用80C196KC內部監視定時器（watchdogtimer）；④對A/D輸入信號采取軟件數字濾波。

3系統的軟件設計

本系統程序框圖如圖9所示。首先，是程序的初始化，包括對硬件和變量的初始化。然后，程序判斷全局變量RUN，若RUN=0，表示程序終止運行，則跳轉到程序的末尾復位看門狗，隨后再跳轉到程序的前面，判斷RUN標志，循環執行；若RUN≠0，則程序執行主循環，再復位看門狗。這樣，通過設定RUN變量來控制程序的執行。

在中斷程序程序中只處理基本的操作，如數據的輸入和輸出等；一些復雜的數據處理，如輸入通道的軟件濾波等等，都放在主循環里面處理。在主程序里，給每一個斷分配一個全局變量作為中斷標志，當有中斷發生時，對此標志置1。在主循環里，程序依次判斷每個標志位，來決定是否要執行相應的子程序，即過程或函數。在主程序中處理完相應的中斷服務后，要對對應的中斷標志清零。

主程序的功能包括：確定閥位和閥位狀態、閥位和閥位狀態的LED顯示、閥位控制輸出、判斷閥是否堵轉以保護電機避免電機過熱、紅外外遙控命令解碼和遙控命令控制輸出。在閥位控制輸出上，采用以控制電機正反轉的時間來控制閥位，將A/D采樣的周期控制得非常短，如10ms，甚至更短。以這產的周期來控制電機的動作，在要求的閥位0.5%精度范圍以內，保持電機不動作，以保證閥位控制的準確性以及避免閥位來回震動。

4結論

通過對9610R系列全電子式電動執行器電機驅動電路和4～20mA恒流電路的改進，使執行器在模擬控制時的運行精確性和可靠性有了進一步的改善。提高了控制精度。它的智能化，使得遠程維護成為可能；它的遙控系統的開發，使該電動執行器的調試更加方便。