全數(shù)字電動(dòng)機(jī)執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

摘要：介紹全數(shù)字電動(dòng)執(zhí)行器的組成及工作原理。開(kāi)發(fā)了以80C196單片機(jī)為核心的全數(shù)字電動(dòng)機(jī)行器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，研究全數(shù)字電動(dòng)執(zhí)行器下位機(jī)運(yùn)行的可靠性，以及基于CAN總線的上下位機(jī)的通信。

    關(guān)鍵詞：電動(dòng)執(zhí)行器 單片機(jī) CAN總線

引言

本文所設(shè)計(jì)的全數(shù)字電動(dòng)執(zhí)行器，是在湘儀電子電器設(shè)備廠的9610R系列的全電子式電動(dòng)執(zhí)行器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)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(jī)的數(shù)字控制代替原有的模擬控制，以提高具控制的精度與運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，為方便調(diào)試，增加了紅外遙控的功能和基于CAN總線的通信功能，以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)控制的需要。

1 原全電子式電動(dòng)執(zhí)行器的特點(diǎn)

原9610R系列的全電子式電動(dòng)執(zhí)行器是以220V交流單向電源作為驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用單向交流電機(jī)，位置反饋采用高性能導(dǎo)電塑料電位器。

伺服放大器的原理如圖1所示。

①當(dāng)UY=0時(shí)，

K_=Uo/Ux=-[(R4+R5)/R5]×(R6/R1)

②當(dāng)Ux=0時(shí)，

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

根據(jù)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(dòng)執(zhí)行器存在著電機(jī)正反轉(zhuǎn)不對(duì)稱的問(wèn)題。電機(jī)驅(qū)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(hào)，當(dāng)Uo>0.7V時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Uo<-0.7V時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。C1為控制電機(jī)制動(dòng)的電容。

重新設(shè)計(jì)的全數(shù)字電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)，用±12V的開(kāi)關(guān)量信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行器的制功與反向截止功能。新的電機(jī)驅(qū)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(dāng)Uk為+5V高電平時(shí)，T2-1/T2-2導(dǎo)通，從而T*-1/T6-2導(dǎo)通使電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Uk由高電平到低電平的瞬間，T4-1/T4-2瞬間導(dǎo)通，使得T7-1/T7-2瞬間導(dǎo)通，電機(jī)瞬間反轉(zhuǎn)，電容放電結(jié)束后電機(jī)停止；同理，當(dāng)Uk為0V低電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。這樣便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)正反向控制。

圖3 新設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

    系統(tǒng)輸出與驅(qū)動(dòng)電路之間完全實(shí)現(xiàn)了光電隔離，這樣可提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以80C196KC單片機(jī)為核心的全數(shù)字電動(dòng)執(zhí)行器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4中，除80C196KC單片機(jī)外，還選用了X25043實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)功能，以MAX7219驅(qū)動(dòng)LED數(shù)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(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA的信號(hào)送至室內(nèi)模擬二次表顯示，以保證其模擬與數(shù)字控制的兼容性。利用80C196KC內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換口，將閥位反饋與閥位模擬給定信號(hào)轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)字信號(hào)，用軟件判斷閥位故障（堵轉(zhuǎn)，超限），進(jìn)行故障處理（報(bào)警或停機(jī)），在控制輸出端與故障處理端用MOC3061光電隔離將單片機(jī)系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路隔離開(kāi)來(lái)，達(dá)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(lái)自遙控器的紅外遙控信號(hào)。CAN控制器采用Philips的SJA1000集成芯片，CAN總線驅(qū)動(dòng)選用82C250集成芯片，在SJA1000與CAN總線驅(qū)動(dòng)82C250之間用6N137快速光隔進(jìn)行光電隔離處理，與單片機(jī)接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信功能。

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(yùn)放LM324和6個(gè)精密電阻、1個(gè)可調(diào)電阻、1個(gè)瓷片電容及1個(gè)二極管組成，電路結(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)節(jié)R7使得R6+R7=250Ω,從而Io=U1/250Ω達(dá)到使1～5V電壓轉(zhuǎn)換成4～20mA的目的，且不論輸出端的負(fù)載如何變化，這種關(guān)系都不會(huì)發(fā)生變化，達(dá)到恒流的目的。為為使該恒流電路可帶的負(fù)載盡量大，集成運(yùn)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(zhí)行機(jī)構(gòu)，在工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用時(shí)，常常會(huì)遇到安裝位置不便于調(diào)試的情況。采用紅外遙控調(diào)可以說(shuō)是一個(gè)很好的解決方案，可以免去常規(guī)調(diào)試所需要做的一些工作，比如打開(kāi)控制盒蓋進(jìn)行調(diào)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(diào)，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(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)試裝置。80C196KC單片機(jī)首先將遙控器各按鍵的命令碼測(cè)出，然后對(duì)它們分別賦予我們所需要的調(diào)試命令，這樣就可使開(kāi)發(fā)周期大大縮短。

圖7 CAN總線通信接口電路

    （3）上下位機(jī)通信

CAN（Cantrol Area Network）是控制局域網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率高達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps，掛接設(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。

CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)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(hào)，故CAN控制器SJA1000所占用的地址為：8000H～80FFH。使用CAN總線收發(fā)器PCA82C250目的是進(jìn)一步提高CAN總線的驅(qū)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(diào)電阻的阻值）。

上位機(jī)通過(guò)一塊華控的公司的HK-CAN30B PCI總線非智能隔離型通信板，可對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有CAN通信接口的儀表和控制設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

（4）掉電保護(hù)和抗干擾措施

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)電保護(hù)的元件采用Maxim公司的X25043。X25043有三種常用的功能：看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM，組合在單個(gè)封裝內(nèi)。X25043對(duì)于要求電路板空間盡可能小的該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常適用的，電路如圖8所示。

X25043的看門狗定時(shí)器對(duì)微控制器80C196提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，可選超時(shí)周期有：1.4s、600ms、200ms，也可禁用。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，在超出所選的超時(shí)周期以后，X25043看門狗將以RESET信號(hào)作出反應(yīng)，使系統(tǒng)復(fù)位。利用X25043低VCC檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓情況的影響。當(dāng)VCC降到最小VCC檢測(cè)電平時(shí)，RESET變?yōu)榈碗娖剑o系統(tǒng)復(fù)位，直到VCC上升到最小VCC檢測(cè)電平200ms為止。此外，X25043還具有512×8位串行E2PROM，使得本系統(tǒng)無(wú)須另外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。

系統(tǒng)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(hào)傳輸，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上采用光電隔離器MOC3061，在上下位機(jī)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(shù)字地分開(kāi)；④在CPU抗干擾措施上，除了配置掉電保護(hù)電路外，還配置了人工復(fù)位和自動(dòng)上電復(fù)位電路。軟件上：①指令冗余，在一些雙字節(jié)和三字節(jié)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(qiáng)行將捕獲到的程序引向?qū)Τ绦虺鲥e(cuò)處理的程序；③啟用80C196KC內(nèi)部監(jiān)視定時(shí)器（watchdogtimer）；④對(duì)A/D輸入信號(hào)采取軟件數(shù)字濾波。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序框圖如圖9所示。首先，是程序的初始化，包括對(duì)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(yùn)行，則跳轉(zhuǎn)到程序的末尾復(fù)位看門狗，隨后再跳轉(zhuǎn)到程序的前面，判斷RUN標(biāo)志，循環(huán)執(zhí)行；若RUN≠0，則程序執(zhí)行主循環(huán)，再?gòu)?fù)位看門狗。這樣，通過(guò)設(shè)定RUN變量來(lái)控制程序的執(zhí)行。

在中斷程序程序中只處理基本的操作，如數(shù)據(jù)的輸入和輸出等；一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)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(biāo)志，當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，對(duì)此標(biāo)志置1。在主循環(huán)里，程序依次判斷每個(gè)標(biāo)志位，來(lái)決定是否要執(zhí)行相應(yīng)的子程序，即過(guò)程或函數(shù)。在主程序中處理完相應(yīng)的中斷服務(wù)后，要對(duì)對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)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(zhuǎn)以保護(hù)電機(jī)避免電機(jī)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(jī)正反轉(zhuǎn)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(jī)的動(dòng)作，在要求的閥位0.5%精度范圍以內(nèi)，保持電機(jī)不動(dòng)作，以保證閥位控制的準(zhǔn)確性以及避免閥位來(lái)回震動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)9610R系列全電子式電動(dòng)執(zhí)行器電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和4～20mA恒流電路的改進(jìn)，使執(zhí)行器在模擬控制時(shí)的運(yùn)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(yuǎn)程維護(hù)成為可能；它的遙控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使該電動(dòng)執(zhí)行器的調(diào)試更加方便。