电动执行器广泛应用于流量控制,其作用是接收控制器指令,使调节阀开度产生相应变化以调节流量。传统电动执行器精度差、死区大、接线复杂,远不能适应现代工业生产的需要。随着微电子技术的发展,出现了以微处理器为核心的电动执行器。本文介绍一种基于 ADμC812 微转换器的电动执行器设计。
一、基本原理
电动执行器接受上位控制系统的控制信号与输出位置反馈信号,在控制器内对两信号进行运算,实现阀位闭环调节;同时接收电机过流信号、执行器腔内温度信号、减速器过力矩信号和行程开关信号,据此控制电机,实现电机过流过热保护、输出过力矩保护和输出电气限位。
二、硬件电路设计
1、单片机的选择(图 1 为执行器结构图):系统有 4 路模拟量输入,为提高性价比应采用内部集成 A/D 的单片机,并要求具备参数设定和掉电保护功能(片内 FLASH/EEPROM)。综合比较后选用 AD 公司 ADμC812 微转换器:8051(8052)内核,单片内集成高性能自校准 8 通道 12 位 A/D、两路 12 位 D/A,自带 8k 字节 FLASH、640 字节 FLASH/EEPROM、256 字节数据存贮器,并具看门狗、电源监视器、ADC DMA 功能,提供 32 条可编程 I/O 线、I2C 兼容 SPI 和标准 UART 串口。该芯片加少量外围电路即可组成完整的电动执行器控制器,电路结构非常简单。
图1 电动执行器的结构图
2、模拟输入电路:位置发送器以电位器为传感器,将输出轴角位移转变为电压信号,经差分放大输出与角度对应的电流信号;该信号与上位系统送来的阀门开度电流信号分别经采样电阻输入 ADμC812 的 A/D 转换口(图 2)。过流信号不经比较器,模拟信号整流分压后直接输入,用片内 A/D 检测并软件比较判别是否过流;过热检测用温度传感器 AD590,经放大调理输出 0.0~2.5V 电压送入模拟输入端,A/D 转换后与设定值软件比较,实现温度检测与过热保护。
图2 模拟输入电路
3、键盘及显示电路:要求正常运行显示阀门开度、故障时显示可能原因并报警、参数设置状态配合键盘输入。选用 MAX7219 串行显示驱动芯片(片含 BCD 译码器、多路复用扫描电路、段驱动器及 8×8 RAM),通过 SPI 接口与 ADμC812 连接实现 4 位 LED 显示,只占用 3 条 I/O 口线;键盘直接使用 P2.0~P2.3 端口,4 个按键实现状态转换与参数输入。
4、输出电路:控制信号从 P0 口输出,经 ULN2003 放大,控制具有过零触发的固态继电器驱动电机正反转——电路简单、工作稳定可靠、不污染电网。
5、通信接口:为使执行器具有通用性,设计了 RS485(芯片 SN75LBC185)和现场总线 CAN(SJA1000 通信控制器+82C250 收发器)两种接口供用户选择。
三、软件设计
系统软件由主程序、键盘服务程序和子程序组成,程序用 C 语言模块化设计,编译后经串行口下载到片内 FLASH。子程序包括初始化、数据采集、控制运算和输出、运行状态显示、报警输出、通信等;键盘服务采用定时查询方式实现状态转换显示与参数输入(程序流程见图 3)。
图3 程序流程图
由于电动机惯性和位置反馈信号滞后,传统控制易造成超调和电机频繁动作。控制运算与输出子程序采用比例-脉冲控制新算法:阀门实际开度与信号偏差较大时采用比例控制,偏差较小时采用脉冲控制,脉冲宽度 Tp=T×D+T0(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监控网络结构:CAN 总线上有一台上位计算机节点和若干电动执行器节点;执行器向上传送阀门实际开度、各种参数及故障报警数据——上位机发出请求且执行器收到时打包发送现场数据;现场出现故障时,不等请求即主动发送故障数据。抗干扰设计方面,利用 ADμC812 内部看门狗电路,通过 WDTCON 寄存器设置定时时间并启动看门狗,监控程序执行。
四、结论
以 ADμC812 为控制核心的电动执行器与传统产品相比:①控制精度可达 1.5%,比传统执行器提高 2%~4%,动态特性明显改善;②电路简单、元件少,实现机电一体化,可靠性高、接线方便;③具备先进通信功能,易于与上位机通信;④自诊断保护功能强,可诊断输入/反馈信号断线、驱动电机异常、电机过热过流等故障,并按故障原因采取相应保护措施。
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来源:综合整理自行业公开技术文献(本站编译)。
