新型CAN智能電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

控制器局部網(wǎng)CAN(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，電動(dòng)執(zhí)行器是電動(dòng)單元組合儀表中一個(gè)很重要的執(zhí)行單元。它由控制電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)在電路上完全獨(dú)立的部分組成，可接收來自調(diào)節(jié)器的電控信號(hào)，將其線性地轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)角或直線位移，用來操縱風(fēng)門、擋板、閥門等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。近年來，隨著微電子技術(shù)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電動(dòng)執(zhí)行器也獲得了快速發(fā)展，特別是國(guó)外一些生產(chǎn)廠商在這幾年中相繼推出了常規(guī)的、帶現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的智能電動(dòng)執(zhí)行器，而CAN智能電動(dòng)執(zhí)行器就是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N。

本文介紹的CAN智能電動(dòng)執(zhí)行器采用無刷直流電機(jī)控制，控制精度高，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的閥位檢測(cè)，可提高閥位測(cè)量的精度和可靠性，能取代現(xiàn)行普遍采用的電位器和差動(dòng)變壓器模擬測(cè)量方法。
　　
控制電路的硬件設(shè)計(jì)

CAN智能電動(dòng)執(zhí)行器的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CAN智能電動(dòng)執(zhí)行器的原理結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)電路主要由五個(gè)部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)P89C58為主的主機(jī)部分，由SJA1000、82C250、光電隔離電路等組成的CAN總線控制及接口部分，由無刷直流電機(jī)專用控制芯片MC33035組成的電機(jī)控制部分，閥門位置檢測(cè)部分和LCD液晶顯示部分。

1 CAN總線及接口部分

CAN總線控制及接口如圖2所示，主要包括獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137。

單片機(jī)P89C58首先對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信任務(wù)。SJA1000的AD0～AD7連接到89C52的P0口，CS連接到89C52的P2.0口，其余的引腳分別對(duì)應(yīng)相連。

圖2 CAN總線及接口部分

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是經(jīng)高速光耦6N137后再與82C250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。82C250與CAN總線的接口也采用了一定的安全和抗干擾措施，它的CANH和CANL引腳與CAN總線之間各串聯(lián)一個(gè)5Ω的電阻，這樣可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過流的沖擊；還可以在CANH和CANL引腳上并聯(lián)小電容，起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜率電阻，電阻大小可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整，一般在16～140kΩ之間。

2 電機(jī)控制電路

該電動(dòng)執(zhí)行器里電機(jī)控制芯片采用了安森美公司開發(fā)的高性能第二代單元無刷直流電機(jī)控制器MC33035。該控制器內(nèi)含可用于正確整流時(shí)序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，以及可對(duì)傳感器的溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖?；同時(shí)，還具有一個(gè)頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個(gè)誤差信號(hào)放大器、一個(gè)脈沖調(diào)制器比較器、三個(gè)集電極開路頂端驅(qū)動(dòng)輸出和三個(gè)非常適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的大電流圖騰柱式底部輸出器。電機(jī)控制電路原理模塊如圖3所示。

圖3 電機(jī)控制電路原理模塊圖

該電機(jī)控制電路的功能包括PWM開環(huán)速度控制、使能控制和正反轉(zhuǎn)控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是利用4-10位譯碼器/驅(qū)動(dòng)器74LS145的功能，由單片機(jī)P89C58給出信號(hào)，通過分壓電路提供給引腳速度電壓來實(shí)現(xiàn)的。

電機(jī)的使能控制和正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)也由單片機(jī)控制，發(fā)出電平信號(hào)給89C2051，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后輸出給MC33035相應(yīng)的管腳來控制電機(jī)的工作狀態(tài)。

3 閥門位置檢測(cè)電路和液晶顯示

為了實(shí)現(xiàn)閥位的數(shù)字化檢測(cè)，在A/D轉(zhuǎn)換電路中采用了ADI公司的16位∑-△(電荷平衡式)A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。AD7705包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑-△調(diào)制器及可編程數(shù)字濾波器等，能直接將來自傳感器的不同擺幅范圍內(nèi)的信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器滿標(biāo)度電壓附近，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了0.003%精度的非線性16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出；其增益和數(shù)據(jù)輸出更新速率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。通過外接高精密導(dǎo)電塑料電位器傳感器，由基準(zhǔn)電壓值分壓后所得電壓值即反映了閥門位置值。

系統(tǒng)采用TRULY公司生產(chǎn)的128×64點(diǎn)陣液晶，它的所有控制器、掃描電路和顯示RAM集成于液晶屏背面，并帶有LED背光。該模塊采用單電源供電，由大規(guī)模點(diǎn)陣式顯示控制器KS0107、液晶屏陣列驅(qū)動(dòng)電路KS0108、顯示存儲(chǔ)器和液晶屏等4部分組成。

智能執(zhí)行器軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：CAN總線通信模塊、電動(dòng)執(zhí)行器的控制和LCD顯示。

CAN總線通信部分可將SJA1000初始化，在其初始化完成以后回到正常工作狀態(tài)，將執(zhí)行器的運(yùn)行情況通過總線向上位機(jī)傳送，而且操作者可以從上位機(jī)下達(dá)控制指令來操作執(zhí)行器。

電動(dòng)執(zhí)行器的控制部分主要實(shí)現(xiàn)閥門的位置控制功能，還可以通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制閥門的閉合速度。LCD顯示部分主要顯示閥門的閥位情況和執(zhí)行器的工作情況，還可以顯示上位機(jī)給執(zhí)行器發(fā)出的控制信號(hào)。

系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖