智能型電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與制作

無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 李 慧

1.引言

1.1 電動(dòng)執(zhí)行器的發(fā)展

電動(dòng)執(zhí)行器，又稱(chēng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電裝、電動(dòng)頭，是一種自動(dòng)控制領(lǐng)域的常用機(jī)電一體化設(shè)備，是自動(dòng)化儀表終端三大組成部分（檢測(cè)設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備）中的執(zhí)行設(shè)備，主要作用是對(duì)一些閥門(mén)、擋板等設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)操作，控制其開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)，代替人工作業(yè)。

1.2 研究背景及意義

我國(guó)目前的電動(dòng)執(zhí)行器還以角行程、直行程和多轉(zhuǎn)式這些傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行器為主，現(xiàn)有的執(zhí)行器在使用時(shí)還會(huì)遇見(jiàn)各式各樣的問(wèn)題，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)員去鉆研改進(jìn)，與國(guó)際水平相比還存在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單，功能弱、智能化程度低等缺點(diǎn)。目前上海沃電、溫州瑞基、溫州澳托克、英國(guó)rotork等產(chǎn)品在市場(chǎng)上均有很強(qiáng)的影響力，但市場(chǎng)上銷(xiāo)售的基本型電動(dòng)執(zhí)行器功能單一，而功能強(qiáng)大的執(zhí)行器價(jià)格又很高，基于以上原因，本文討論設(shè)計(jì)一臺(tái)性?xún)r(jià)比高的智能電動(dòng)執(zhí)行器。

1.3 系統(tǒng)功能描述

本設(shè)計(jì)力求執(zhí)行器在功能上齊全，在性能上穩(wěn)定，在價(jià)格上便宜。

執(zhí)行器具體功能：

(1)本地操作：本地點(diǎn)動(dòng)操作；本地保持操作。

(2)遠(yuǎn)方操作：遠(yuǎn)方手動(dòng)操作；遠(yuǎn)方自動(dòng)操作。

(3)液晶界面顯示：開(kāi)度顯示；狀態(tài)顯示；報(bào)警顯示；菜單顯示。

(4)數(shù)據(jù)保存：將用戶(hù)設(shè)置后的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)的EEPROM。

1.4 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要的電源主要有三種：

(1)+5V：用于CPU板卡供電

(2)+12V_D：用于換相繼電器

(3)+12V_A：用于4-20mA電流產(chǎn)生

要將380V交流電變?yōu)橹绷魇紫纫儔?、整流、穩(wěn)壓，所以電源部分就會(huì)包括變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路這三個(gè)部分。

整流電路：可采取最通用最可靠的橋式整流。

穩(wěn)壓電路：可使用ST公司的LM78XX系列三端穩(wěn)壓芯片。

2.2 380V電源鑒相電路設(shè)計(jì)

鑒相電路目的是想判別輸入信號(hào)的相位差，將相位差轉(zhuǎn)換成不同的信號(hào)以便后級(jí)使用。根據(jù)這一原則，首先輸入信號(hào)要為方波，而本設(shè)計(jì)使用的380V正弦信號(hào)，所以第一步要做的就是將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)為方波。由于系統(tǒng)控制器采用的是單片機(jī)，其供電為5V直流信號(hào)，需要鑒相的信號(hào)是380V高壓信號(hào)，為了避免在控制的時(shí)候收到高壓信號(hào)的干擾，在電路設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮前后級(jí)之間的隔離。在鑒別相序的時(shí)候采取軟件來(lái)進(jìn)行相序分析。本設(shè)計(jì)采用Atmega128單片機(jī)作為處理器，資源富裕完全有空間來(lái)完成鑒相功能，而且采取軟件處理可以減少硬件電路的設(shè)計(jì)調(diào)試，也可減小最后PCB的面積。

鑒相前級(jí)采樣電路由兩部分組成：正弦信號(hào)變換為方波，電源隔離。

2.3 紅外遙控發(fā)射電路設(shè)計(jì)

通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成。發(fā)射部分包括鍵盤(pán)、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括LED紅外接收器、光電放大器、解調(diào)和解碼電路。

紅外遙控系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 紅外遙控系統(tǒng)框圖

2.4 交流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)交流電機(jī)控制電路如圖3所示。

圖3 交流電機(jī)控制電路

繼電器驅(qū)動(dòng)電路：

繼電器驅(qū)動(dòng)電路采取互鎖的形式，防止電路在換相的時(shí)候出現(xiàn)短路的狀況。繼電器線(xiàn)圈上要加蓄流二極管，否則線(xiàn)圈中的電不能及時(shí)的放干凈，在切換相序的時(shí)候也容易短路。二極管要選取開(kāi)關(guān)速度快的肖特基二極管。繼電器選型只要滿(mǎn)足耐壓和蓄流能力就可以了。

2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示采用O12864SGD14CFNE型號(hào)，此種液晶體積小，但也是128X64個(gè)顯示點(diǎn)，并且功耗低、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。

2.6 4-20mA電流產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

目前最普遍使用的電流產(chǎn)生原理是電壓/電流轉(zhuǎn)換即V/I轉(zhuǎn)換，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有一定關(guān)系的電流信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換的電流相當(dāng)于一個(gè)輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。

針對(duì)本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)使用PWM占空比來(lái)控制4-20mA電流輸出，而且也減少了外圍電路的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.7 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

鑒于電源電路存在一些不穩(wěn)定因素，用來(lái)防止此類(lèi)不穩(wěn)定因素影響電路效果的回路稱(chēng)作保護(hù)電路。比如有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、空載保護(hù)、短路保護(hù)等。

電機(jī)過(guò)流檢測(cè)設(shè)計(jì)采用電流互感器來(lái)檢測(cè)電流過(guò)載。在供電用電的線(xiàn)路中電流電壓相差懸殊。線(xiàn)路上的電壓都比較高如直接測(cè)量是非常危險(xiǎn)的。電流互感器的作用就是變流和電氣隔離。電流互感器原理其實(shí)就是電磁感應(yīng)原理。

本電路使用的是380V交流電，所以用電流互感器來(lái)檢測(cè)較為安全，經(jīng)過(guò)電流互感器將大電流變?yōu)樾‰娏魅缓笤谧儞Q為電壓，再送入單片機(jī)處理。

3.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程圖

系統(tǒng)總體流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總流程圖

3.2 鑒相處理及電機(jī)控制

鑒相采集的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，380V交流電已由外部硬件電路轉(zhuǎn)換為方波，單片機(jī)只需處理輸入兩路信號(hào)超前與滯后的關(guān)系就可以了，這里使用外部中斷來(lái)捕捉外部輸入的方波的信號(hào)。

電機(jī)控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，這里就需要換相和電源通電控制。

注意：一定要先進(jìn)行換相然后再對(duì)電機(jī)通電，否則在電機(jī)動(dòng)作的時(shí)候進(jìn)行換相會(huì)發(fā)生短路的情況。

3.3 反饋及遠(yuǎn)程信號(hào)處理

反饋信號(hào)主要是檢測(cè)電動(dòng)執(zhí)行器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，其中包括閥門(mén)開(kāi)度反饋、開(kāi)關(guān)到位、過(guò)力矩檢測(cè)、過(guò)電流和過(guò)熱反饋。

過(guò)流檢測(cè)：通過(guò)互感器將電流變換為電壓然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行處理。

過(guò)熱檢測(cè)：通過(guò)熱敏電阻檢測(cè)，反饋回開(kāi)關(guān)量。

過(guò)力矩檢測(cè)：通過(guò)外部限位開(kāi)關(guān)讀取閥門(mén)過(guò)力矩信號(hào)，返回開(kāi)關(guān)量。

開(kāi)度采集：開(kāi)度通過(guò)于轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)連接的電位器反饋信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

3.4 按鍵及紅外遙控器信號(hào)處理

按鍵主要是用于執(zhí)行器本地操作和遠(yuǎn)程切換操作，安裝在執(zhí)行器的外殼上，主要實(shí)現(xiàn)本地點(diǎn)動(dòng)和本地保持動(dòng)作。

此處要注意的是按鍵消抖采用定時(shí)器延時(shí)來(lái)做，不要使用等待延時(shí)，可以提高單片機(jī)的運(yùn)行速度。

紅外遙控器接收管連接到單片機(jī)的外部中斷，當(dāng)有信號(hào)的時(shí)候進(jìn)入中斷處理，可以提高遙控器的執(zhí)行效率，處理的方法是將發(fā)送部分信號(hào)進(jìn)行解碼，軟件處理是將發(fā)送的碼字破譯成二進(jìn)制的0和1，由0和1組合成不同的字節(jié)即可破解遙控器按鍵。

3.5 液晶顯示驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

液晶顯示部分顯示的內(nèi)容主要有三種，第一種是開(kāi)度顯示，第二種是電動(dòng)執(zhí)行器狀態(tài)顯示，第三種的設(shè)置菜單顯示。

液晶驅(qū)動(dòng)程序的液晶顯示部分的基礎(chǔ)，我們使用的液晶是不帶字庫(kù)的液晶，所以在使用的時(shí)候需要把要顯示的字用取模軟件轉(zhuǎn)換成字模。液晶驅(qū)動(dòng)采用串行數(shù)據(jù)模式，這樣可以減少外部管腳的占用。

本設(shè)計(jì)已完成整機(jī)裝配，各個(gè)模塊運(yùn)行正常。已完成電動(dòng)執(zhí)行器各項(xiàng)功能，性能良好。各個(gè)模塊采用的電路都很簡(jiǎn)單，使用的元器件也都很普通，但完全實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)執(zhí)行器該有的功能。由于采用的電路簡(jiǎn)單使用的元器件便宜，所以大大降低了電動(dòng)執(zhí)行器的成本。

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