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关于数字控制技术的电动执行器的设计

    一 工作原理

    在传统的模拟控制方式中用时间、电流的大小来表示调节阀的开启角度。由于影响时间、电流(电压)等参数的因素很多,因此显示的开启角度与阀门的实际位置不易达到同步,经常出现明显的误差。同时,简单的模拟量控制提供的信息极为有限,不利于系统的调试和检修。笔者设计的智能型控制系统采用数字化的方法来控制电动执行机构运行。其智能控制器系统构成如图1所示。

图1 系统框图

    该电动执行器是以单片机8031为核心组成智能化的位置控制单元,位置传感器检测到阀门的位置信号,经A/D转换后送入单片机,运算处理后产生的控制信号通过8255A控制PWM波发生器,驱动电机。同时单片机将处理后的数据送至显示单元显示调节结果。此外,系统还带通讯功能,可以接收上位机的指令,进行远程数字控制,也可以通过该电动执行机构的人机界面实现现场手动控制。将位置反馈信号与模拟给定信号转换成数字信号,用软件判断阀位故障(堵转,超限),进行故障处理(报警或停机),采用LOC210光电隔离将单片机系统与电机驱动电路隔离开来,达到抗干扰的目的。

    二 系统硬件组成

    根据智能化、可靠性高、抗干扰能力强、成本低等原则,该电动执行器从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。控制部分主要由输入输出通道、单片机、PWM波发生器、A/D、D/A转换模块等组成。执行驱动部分主要包括三相伺服电机、位置传感器和减速器。

    控制系统各功能元件的选型与设计如下:

    (1)单片机

    采用INTEL公司的8031单片机,它借助并行I/O接口—8255A,对该控制系统的信号进行处理,主要包括:处理通过模拟输入口接收的电流、电压、位置等检测信号;接收系统对阀门开关量(阀门开启、关闭及开度等)的设定信号,并提供三相PWM波发生器所需要的控制信号;提供显示电动执行机构的工作状态信号;执行控制系统传来的控制信号,向控制系统反馈信号。

    (2)人机界面

    为了实现人机对话功能,同时由于液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄
等优点,本电动执行器选用MGLS12832液晶显示模块组成显示电路。采用组态显示方式,通过菜单选择,可分别对阀门、限位、电机、通讯和参数等进行设置或调试。并采用文字和图形相结合的方式,显示直观、清晰。

    (3)光电隔离电路

    在工业现场使用时,涉及到各种仪器仪表,会由于各种原因引入信号干扰以及各种危险的强电压信号。一旦系统受到干扰,程序指针发生错误,将会造成程序执行的混乱或进入死循环,系统无法正常运行,严重时可能损坏系统硬件。为了保证系统的安全,保证检测的正确性和运行的可靠性,本执行器采用光耦LOC210对输入输出信号进行隔离,如图2所示。

图2 光电隔离电路

    (4)三相PWM波发生器

    PWM控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断,以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形并使其逼近正弦电压波形。PWM波的产生方法通常有模拟法和数字法两种。模拟法电路复杂,有温漂现象,精度低,不能保证系统的性能。数字法是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点,并存入内存,然后通过查表及必要的计算产生PWM波,这种方法占用的内存较大,难以保证系统的精度。为了保证本系统具有良好的性能,本电动执行器选用MITEL公司生产的全数字化三相PWM发生器SA8282。该芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息,而且它的频率范围宽、精度高,具有独立的标准微处理器接口,同时能够完成外围控制功能,可方便实现智能化。

    (5)位置检测反馈电路

    位置检测反馈电路是执行机构的重要组成部分,它的功能是提供准确的阀位信号,并将信号反馈给单片机。关键是位置传感器的选型。常见的位置传感器有:绕线电位器、差动变压器、导电塑料电位器、脉冲数字式传感器等。其中脉冲数字式传感器无触点,且具有高精度、高稳定性、无线性区限制、无温度限制等优点。故本电动执行器采用脉冲数字式传感器。

    (6)A/D转换器

    A/D转换器是整个系统的重要组成部分,它将模拟量转换为数字量,为计算机进行数字处理提供数据,A/D转换的精度直接关系整个测量系统的测量准确度。本设计采用分辨率为8位的ADC0809逐次逼近式转换器,其分辨率为1LSB(最低有效位值)。

    (7)通讯接口

    本执行器选用MAXIM公司生产的MAX232作为系统的串行通讯接口。MAX232包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片,能完成TTL与EIA之间的双向电平转换,可以把8031串行口输出的TTL电平转换为RS-232标准电平,把其他微机送来的RS-232标准电平转换成TTL电平给8031,实现单片机与上位机的远程通讯,从而可进行远程设定运行方式及运行状态。

    (8)时钟电路

    时钟电路主要用来提供采样、控制周期和速度计算所需要的时间以及日期。本执行器选用Dallas公司的串行接口实时时钟芯片DS12887,其内部有128字节RAM单元与软件接口,其中14字节作为时钟和控制单元,114字节为通用RAM,可用来存入需长期保存的数据,所有RAM单元数据都具有掉电保护功能。

    (9)看门狗

    执行器在工业现场使用时,会由于各种原因引入信号干扰。为了保证在强干扰下本执行器能自动地恢复正常,选用由MAX705、“或非”门及微分电路组成的电路来监视程序运行。

   三 软件设计

    本系统程序流程图如图3所示。首先,对系统的初始化,包括对硬件和变量的初始化,并进行键盘扫描。然后,程序判断全局变量Flag,若Flag=0,则程序终止运行,跳转到程序的末尾复位看门狗,随后再跳转到程序的前面,判断Flag标志,循环执行;若Flag≠0,则执行程序主循环,再复位看门狗。这样,通过设定Flag变量来控制程序的执行。

图3 程序流程图

    该系统的功能包括:确定阀位和阀位状态、阀位和阀位状态的显示、阀位控制输出、判断阀是否堵转以避免电机过热而保护电机。在阀位控制输出上,采用以控制电机正反转的时间来控制阀位,将A/D采样的周期控制的非常短,如15ms,甚至更短。以这样的周期来控制电机的动作,在要求的阀位0.5%精度范围以内,保持电机不动作,以保证阀位控制的准确性以及避免阀位来回震动。

    在程序内部,给每一个子程序分配一个全局变量作为中断标志,当有中断发生时,对此标志置1。在主循环里,程序依次判断每个标志位,来决定是否要执行相应的子程序。当处理完相应的子程序后,要对相应的中断标志清零。同时该系统还能与上位机进行通讯,用户可以通过上位机编程控制阀门,使采用计算机控制更加方便。

    四 结束语

    该执行机构集微机技术和执行器技术于一体,是一种新型的终端控制单元。该系统的各个主要功能模块集中在单片微处理器中,降低了系统的成本,提高了可靠性,减小了体积。同时,在系统的硬件和软件设计上充分考虑了工业现场的实际环境,采取了完善的抗干扰措施和故障保护措施,大大地提高了系统的可靠性,使系统能适用于各种工业现场的环境。

    该智能执行机构采用了液晶显示技术,不仅可以显示阀门的开、关状态和正常运行时阀门的开度,还可以通过菜单选择运行参数设定,当系统出现故障时,能显示出故障信息。总之,该执行机构集智能信号采集、检测、显示和控制于一体,顺应了电动执行机构的发展趋势,它的研制成功给电动执行机构的研究开发提供了新的思路。

    参考文献:

    [1] 祝荣荣,等.智能型阀门电动执行机构控制器的设计[J].工业仪表与自动化装置,2005,(4).
    [2] 王福瑞,等.单片机微机测控系统设计大全[M].北京航空航天大学出版社,1999.
    [3] 余君兰,等.全数字电动执行器的开发与应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2003,(1).
    [4]  王莉,等.机电一体化智能大流量电动执行机构的研究[J].工业仪表与自动化装置,2003,(3).