全數字電動(dòng)機執行器的開(kāi)發(fā)與應用
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關(guān)鍵詞：電動(dòng)執行器 單片機 CAN總線(xiàn)
引言
本文所設計的全數字電動(dòng)執行器，是在湘儀電子電器設備廠(chǎng)的9610R系列的全電子式電動(dòng)執行器的電機驅動(dòng)電路基礎上所做出的進(jìn)一步的改進(jìn)。我們將控制部分用基于80C196單片機的數字控制代替原有的模擬控制，以提高具控制的精度與運行的可靠性。同時(shí)，為方便調試，增加了紅外遙控的功能和基于CAN總線(xiàn)的通信功能，以適應現代工業(yè)控制的需要。
1 原全電子式電動(dòng)執行器的特點(diǎn)
原9610R系列的全電子式電動(dòng)執行器是以220V交流單向電源作為驅動(dòng)電源，驅動(dòng)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(shí)，
K_=Uo/Ux=-[(R4+R5)/R5](R6/R1)
②當Ux=0時(shí)，
K+=Uo/UY=[R3/(R2+R3)][(R4+R5)/R5](1+R6/R1)
根據線(xiàn)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(dòng)執行器存在著(zhù)電機正反轉不對稱(chēng)的問(wèn)題。電機驅動(dòng)電路如圖2所示。
圖2中，Uo為從伺服放大器來(lái)的電壓信號，當Uo>0.7V時(shí)，電機正轉；當Uo-0.7V時(shí)，電機反轉。C1為控制電機制動(dòng)的電容。
重新設計的全數字電動(dòng)執行器對電機的驅動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)，用12V的開(kāi)關(guān)量信號的時(shí)間長(cháng)短來(lái)控制電機的正反轉，并實(shí)現了電動(dòng)執行器的制功與反向截止功能。新的電機驅動(dòng)電路如圖3所示。
圖3中，Ukp和Ukn分別為80C196的兩個(gè)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(gè)光電隔離器。當Uk為+5V高電平時(shí)，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(shí)，電機反轉。這樣便實(shí)現了電機正反向控制。
圖3 新設計的電機驅動(dòng)電路
2 控制系統結構
以80C196KC單片機為核心的全數字電動(dòng)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(shí)現掉電保護功能，以MAX7219驅動(dòng)LED數碼管顯示閥位的給定值與反饋值以及閥位的狀態(tài)與控制方式；同時(shí)，以改進(jìn)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(jìn)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(dòng)電路隔離開(kāi)來(lái)，達到抗干擾的目的。
各部分的主要硬件電路介紹如下。
（1）改進(jìn)的4～20mA恒流電路
整個(gè)恒流電路，由1片集成的4通道運放LM324和6個(gè)精密電阻、1個(gè)可調電阻、1個(gè)瓷片電容及1個(gè)二極管組成，電路結構非常簡(jiǎn)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(gè)電阻匹配得比較好的情況下，U1-U2=U1，通過(guò)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(guān)系都不會(huì )發(fā)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(dòng)執行機構，在工業(yè)過(guò)程控制應用時(shí)，常常會(huì )遇到安裝位置不便于調試的情況。采用紅外遙控調可以說(shuō)是一個(gè)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(kāi)控制盒蓋進(jìn)行調試線(xiàn)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(méi)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(gè)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(dòng)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(kāi)發(fā)周期大大縮短。
圖7 CAN總線(xiàn)通信接口電路
CAN（Cantrol Area Network）是控制局域網(wǎng)絡(luò )的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早由德國B(niǎo)OSCH公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線(xiàn)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(lǐng)域。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)。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(gè)。
CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當節點(diǎn)嚴重錯誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷節點(diǎn)與總線(xiàn)的聯(lián)系，使總線(xiàn)上的其它節點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN總線(xiàn)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(xiàn)收發(fā)器PCA82C250目的是進(jìn)一步提高CAN總線(xiàn)的驅動(dòng)能力。它的工作模式由RS控制引腳來(lái)提供，取決于斜率電阻（200kΩ可調電阻的阻值）。
上位機通過(guò)一塊華控的公司的HK-CAN30B PCI總線(xiàn)非智能隔離型通信板，可對工業(yè)現場(chǎng)具有CAN通信接口的儀表和控制設備進(jìn)行監控。
（4）掉電保護和抗干擾措施
系統實(shí)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(mén)狗定時(shí)器、電壓監控和E2PROM，組合在單個(gè)封裝內。X25043對于要求電路板空間盡可能小的該系統來(lái)說(shuō)是非常適用的，電路如圖8所示。
X25043的看門(mén)狗定時(shí)器對微控制器80C196提供了獨立的保護系統，可選超時(shí)周期有：1.4s、600ms、200ms，也可禁用。當系統故障時(shí)，在超出所選的超時(shí)周期以后，X25043看門(mén)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(shí)，RESET變?yōu)榈碗娖?，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5128位串行E2PROM，使得本系統無(wú)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(lái)進(jìn)行信號傳輸，電機驅動(dòng)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(gè)集成電路芯片都安置一個(gè)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(kāi)；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(dòng)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(shí)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(mén)狗，隨后再跳轉到程序的前面，判斷RUN標志，循環(huán)執行；若RUN≠0，則程序執行主循環(huán)，再復位看門(mén)狗。這樣，通過(guò)設定RUN變量來(lái)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(huán)里面處理。在主程序里，給每一個(gè)斷分配一個(gè)全局變量作為中斷標志，當有中斷發(fā)生時(shí)，對此標志置1。在主循環(huán)里，程序依次判斷每個(gè)標志位，來(lái)決定是否要執行相應的子程序，即過(guò)程或函數。在主程序中處理完相應的中斷服務(wù)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(tài)、閥位和閥位狀態(tài)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(guò)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(shí)間來(lái)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(chǎn)的周期來(lái)控制電機的動(dòng)作，在要求的閥位0.5%精度范圍以?xún)?，保持電機不動(dòng)作，以保證閥位控制的準確性以及避免閥位來(lái)回震動(dòng)。
4 結論
通過(guò)對9610R系列全電子式電動(dòng)執行器電機驅動(dòng)電路和4～20mA恒流電路的改進(jìn)，使執行器在模擬控制時(shí)的運行精確性和可靠性有了進(jìn)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(kāi)發(fā)，使該電動(dòng)執行器的調試更加方便。
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