全數(shù)字電動(dòng)機(jī)執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 [日期：2004-12-7] 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者：余君蘭 袁 艷 張?zhí)┥? [字體：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。

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。

全數(shù)字電動(dòng)機(jī)執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 [日期：2004-12-7] 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者：余君蘭 袁 艷 張?zhí)┥? [字體：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。

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。