電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，傳統(tǒng)電子式電動(dòng)執(zhí)行器在功能、精度、性價(jià)比等方面已難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。作者研制了以MSP430F449單片機(jī)為信息處理單元，具有現(xiàn)場(chǎng)總線通信、智能控制和網(wǎng)絡(luò)化管理功能的新型網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器，并開發(fā)了基于虛擬儀器的上位機(jī)系統(tǒng)和便攜式控制器，提高了電動(dòng)執(zhí)行器的可操作性和可靠性。

1 網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器的構(gòu)成

2所示，網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器、現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)換、便攜式控制器和上位機(jī)系統(tǒng)等4部分。網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器根據(jù)給定量與反饋量的偏差控制電機(jī)運(yùn)行；現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)換是通過(guò)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)RS-485總線與其它不同現(xiàn)場(chǎng)總線的轉(zhuǎn)換連接，便于網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器匹配各類型過(guò)程控制系統(tǒng)；便攜式控制器是用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器各項(xiàng)參數(shù)簡(jiǎn)便設(shè)定的設(shè)備，可以通過(guò)紅外通信實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器各項(xiàng)參數(shù)快速設(shè)置；基于虛擬儀器技術(shù)的上位機(jī)系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，可以通過(guò)RS-485總線實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器的操作和管理，并可以接入以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。



2 網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器的構(gòu)成

2 電動(dòng)執(zhí)行器控制單元電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)執(zhí)行器控制單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F449單片機(jī)作為信息處理單元，該單片機(jī)含有8通道12位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大采樣速率200kPs）和片內(nèi)溫度傳感器，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器功能設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)RS-485總線與上位機(jī)系統(tǒng)通信，通過(guò)紅外通信方式與便攜式控制器通信。執(zhí)行器可以直接與DDZ Ⅲ型設(shè)備連接，由單片機(jī)自帶的ADC對(duì)調(diào)節(jié)器輸出的DDZ-Ⅲ型信號(hào)（4～20mA或者1～5V直流信號(hào)）采樣后進(jìn)行處理。執(zhí)行器利用單片機(jī)內(nèi)嵌的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路單元實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，并采用12位的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；調(diào)節(jié)閥的位置反饋信號(hào)由安裝在電機(jī)傳動(dòng)軸上的光電編碼盤獲得。



3 網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)通過(guò)計(jì)算給定與反饋的偏差，按照預(yù)定的控制方法輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)光電隔離后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。為防止執(zhí)行器越限損壞設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器安裝了行程開關(guān)進(jìn)行限位檢測(cè)與保護(hù)。發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器可切換到手動(dòng)模式，通過(guò)手動(dòng)操作控制電機(jī)運(yùn)行。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

網(wǎng)絡(luò)化電動(dòng)執(zhí)行器必須具備正反運(yùn)行功能，因此選用無(wú)觸點(diǎn)的固態(tài)繼電器作為單相電機(jī)正反轉(zhuǎn)及起?？刂破骷?。如圖4所示，由邏輯門電路和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器（MC1413）組成正反轉(zhuǎn)控制電路。MSP430F449單片機(jī)的輸出端信號(hào)（X2，X4）經(jīng)觸發(fā)邏輯控制電路處理后，控制固態(tài)繼電器的通斷。



4 單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

電路中非門（74HC04）和與門（74HC08）對(duì)信號(hào)進(jìn)行互鎖，防止正、反轉(zhuǎn)信號(hào)同時(shí)導(dǎo)通。MC1413為反相驅(qū)動(dòng)器，起到吸收電流的作用，當(dāng)MC1413輸出低電平時(shí)，控制固態(tài)繼電器SSR導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)X4輸出高電平，X2輸出低電平時(shí)，接通電機(jī)的正繞組，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)X2輸出高電平，X4輸出低電平時(shí)，接通電機(jī)的反繞組，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)X4，X2均輸出高電平時(shí)或均輸出低電平時(shí)，電路自鎖，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

M為電機(jī)繞組，R51，R52，C50，C51是吸收電路，RV是氧化鋅壓敏電阻，共同起到保護(hù)固態(tài)繼電器的作用。對(duì)電機(jī)繞組加交流電源，測(cè)得電壓U、電流I、頻率f，電機(jī)繞組阻值R，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出電容C53配置的理論值