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网络化电动执行器设计

2012/9/22 1:02:39

网络化电动执行器设计
针对现有电动执行器的不足，提出并设计了一种网络化电动执行器，给出了基于MSP430F449单片机的网络化电动执行器的基本结构与工作原理，介绍了电机驱动控制电路、DDZ2 Ⅲ型信号接口、通信接口等硬件电路设计。网络化电动执行器通过现场总线实现远程通信与管理，采用基于Bang-Bang+Fuzzy控制的复合智能控制方法，提高了系统的实时性和可靠性，实际运行表明，网络化电动执行器运行稳定可靠，行程控制精度达到1‰。
电动执行器根据调节器输出的给定信号与调节阀位移反馈量之间的偏差驱动电机运行，通过变速及传动机构输出角位移或直线位移，实现对调节阀位置的自动控制，其原理如图1所示。

图1 电动执行器原理框图

随着工业生产自动化水平的提高，传统电子式电动执行器在功能、精度、性价比等方面已难以满足实际应用需求。作者研制了以MSP430F449单片机为信息处理单元，具有现场总线通信、智能控制和网络化管理功能的新型网络化电动执行器，并开发了基于虚拟仪器的上位机系统和便携式控制器，提高了电动执行器的可操作性和可靠性。

1 网络化电动执行器的构成

如图2所示，网络化电动执行器系统主要包括网络化电动执行器、现场总线转换、便携式控制器和上位机系统等4部分。网络化电动执行器根据给定量与反馈量的偏差控制电机运行；现场总线转换是通过通信协议转换，实现RS-485总线与其它不同现场总线的转换连接，便于网络化电动执行器匹配各类型过程控制系统；便携式控制器是用于实现网络化电动执行器各项参数简便设定的设备，可以通过红外通信实现执行器各项参数快速设置；基于虚拟仪器技术的上位机系统是网络化电动执行器远程管理平台，可以通过RS-485总线实现电动执行器的操作和管理，并可以接入以太网实现远程控制。

图2 网络化电动执行器的构成

2 电动执行器控制单元电路设计

电动执行器控制单元的结构如图3所示，采用TI公司生产的MSP430F449单片机作为信息处理单元，该单片机含有8通道12位ADC（模数转换器，最大采样速率200kPs）和片内温度传感器，能够满足网络化电动执行器功能设计要求。网络化电动执行器通过RS-485总线与上位机系统通信，通过红外通信方式与便携式控制器通信。执行器可以直接与DDZ Ⅲ型设备连接，由单片机自带的ADC对调节器输出的DDZ-Ⅲ型信号（4～20mA或者1～5V直流信号）采样后进行处理。执行器利用单片机内嵌的温度传感器实现对控制电路单元实时温度测量，并采用12位的数字温度传感器（DS18B20）对电机温度进行实时测量；调节阀的位置反馈信号由安装在电机传动轴上的光电编码盘获得。

图3 网络化电动执行器结构框图

单片机通过计算给定与反馈的偏差，按照预定的控制方法输出电机驱动信号，经光电隔离后驱动电机运行。为防止执行器越限损坏设备，网络化电动执行器安装了行程开关进行限位检测与保护。发生故障时，网络化电动执行器可切换到手动模式，通过手动操作控制电机运行。

2.1 电机驱动电路

网络化电动执行器必须具备正反运行功能，因此选用无触点的固态继电器作为单相电机正反转及起停控制器件。如图4所示，由逻辑门电路和达林顿驱动器（MC1413）组成正反转控制电路。MSP430F449单片机的输出端信号（X2，X4）经触发逻辑控制电路处理后，控制固态继电器的通断。

图4 单相电机驱动控制电路

电路中非门（74HC04）和与门（74HC08）对信号进行互锁，防止正、反转信号同时导通。MC1413为反相驱动器，起到吸收电流的作用，当MC1413输出低电平时，控制固态继电器SSR导通，从而驱动电机运转。当X4输出高电平，X2输出低电平时，接通电机的正绕组，电机正转；当X2输出高电平，X4输出低电平时，接通电机的反绕组，电机反转；当X4，X2均输出高电平时或均输出低电平时，电路自锁，电机停转。

M为电机绕组，R51，R52，C50，C51是吸收电路，RV是氧化锌压敏电阻，共同起到保护固态继电器的作用。对电机绕组加交流电源，测得电压U、电流I、频率f，电机绕组阻值R，根据式（1）可以计算出电容C53配置的理论值