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網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器設(shè)計
點擊次數(shù)：398 發(fā)布時間：2010-11-8
摘 要： 針對現(xiàn)有電動執(zhí)行器的不足，提出并設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器，給出了基于MSP430F449單片機的網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，介紹了電機驅(qū)動控制電路、DDZ2 Ⅲ型信號接口、通信接口等硬件電路設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信與管理，采用基于Bang-Bang+Fuzzy控制的復(fù)合智能控制方法，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，實際運行表明，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器運行穩(wěn)定可靠，行程控制精度達到1‰。
電動執(zhí)行器根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出的給定信號與調(diào)節(jié)閥位移反饋量之間的偏差驅(qū)動電機運行，通過變速及傳動機構(gòu)輸出角位移或直線位移，實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥位置的自動控制，其原理如圖1所示。
圖1 電動執(zhí)行器原理框圖
隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的提高，傳統(tǒng)電子式電動執(zhí)行器在功能、精度、性價比等方面已難以滿足實際應(yīng)用需求。作者研制了以MSP430F449單片機為信息處理單元，具有現(xiàn)場總線通信、智能控制和網(wǎng)絡(luò)化管理功能的新型網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器，并開發(fā)了基于虛擬儀器的上位機系統(tǒng)和便攜式控制器，提高了電動執(zhí)行器的可操作性和可靠性。
1 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的構(gòu)成
如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器、現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換、便攜式控制器和上位機系統(tǒng)等4部分。網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器根據(jù)給定量與反饋量的偏差控制電機運行；現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換是通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)RS-485總線與其它不同現(xiàn)場總線的轉(zhuǎn)換連接，便于網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器匹配各類型過程控制系統(tǒng)；便攜式控制器是用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器各項參數(shù)簡便設(shè)定的設(shè)備，可以通過紅外通信實現(xiàn)執(zhí)行器各項參數(shù)快速設(shè)置；基于虛擬儀器技術(shù)的上位機系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器遠(yuǎn)程管理平臺，可以通過RS-485總線實現(xiàn)電動執(zhí)行器的操作和管理，并可以接入以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
圖2 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器的構(gòu)成
2 電動執(zhí)行器控制單元電路設(shè)計
電動執(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單片機作為信息處理單元，該單片機含有8通道12位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器，zui大采樣速率200kPs）和片內(nèi)溫度傳感器，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器功能設(shè)計要求。網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器通過RS-485總線與上位機系統(tǒng)通信，通過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，由單片機自帶的ADC對調(diào)節(jié)器輸出的DDZ-Ⅲ型信號（4～20mA或者1～5V直流信號）采樣后進行處理。執(zhí)行器利用單片機內(nèi)嵌的溫度傳感器實現(xiàn)對控制電路單元實時溫度測量，并采用12位的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）對電機溫度進行實時測量；調(diào)節(jié)閥的位置反饋信號由安裝在電機傳動軸上的光電編碼盤獲得。
圖3 網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)框圖
單片機通過計算給定與反饋的偏差，按照預(yù)定的控制方法輸出電機驅(qū)動信號，經(jīng)光電隔離后驅(qū)動電機運行。為防止執(zhí)行器越限損壞設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器安裝了行程開關(guān)進行限位檢測與保護。發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器可切換到手動模式，通過手動操作控制電機運行。
2.1 電機驅(qū)動電路
網(wǎng)絡(luò)化電動執(zhí)行器必須具備正反運行功能，因此選用無觸點的固態(tài)繼電器作為單相電機正反轉(zhuǎn)及起?？刂破骷?。如圖4所示，由邏輯門電路和達林頓驅(qū)動器（MC1413）組成正反轉(zhuǎn)控制電路。MSP430F449單片機的輸出端信號（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。
圖4 單相電機驅(qū)動控制電路
電路中非門（74HC04）和與門（74HC08）對信號進行互鎖，防止正、反轉(zhuǎn)信號同時導(dǎo)通。MC1413為反相驅(qū)動器，起到吸收電流的作用，當(dāng)MC1413輸出低電平時，控制固態(tài)繼電器SSR導(dǎo)通，從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。當(dāng)X4輸出高電平，X2輸出低電平時，接通電機的正繞組，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)X2輸出高電平，X4輸出低電平時，接通電機的反繞組，電機反轉(zhuǎn)；當(dāng)X4，X2均輸出高電平時或均輸出低電平時，電路自鎖，電機停轉(zhuǎn)。
M為電機繞組，R51，R52，C50，C51是吸收電路，RV是氧化鋅壓敏電阻，共同起到保護固態(tài)繼電器的作用。對電機繞組加交流電源，測得電壓U、電流I、頻率f，電機繞組阻值R，根據(jù)式（1）可以計算出電容C53配置的理論值