基于智能型电动执行器的设计方案

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本文提出的一种基于智能型电动执行器的设计方案。方案通过采用Atmega128作为主控芯片以便满足系统需求和提高控制精度。本设计已完成整机装配，各个模块运行正常。已完成电动执行器各项功能，性能良好。各个模块采用的电路都很简单，使用的元器件也都很普通，但完全实现了电动执行器该有的功能。由于采用的电路简单使用的元器件便宜，所以大大降低了电动执行器的成本。
         
          1.引言
         
        1.1 电动执行器的发展
         
        电动执行器，又称电动执行机构、电装、电动头，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备，是自动化仪表终端三大组成部分(检测设备、调节设备和执行设备)中的执行设备，主要作用是对一些阀门、挡板等设备进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。
         
        1.2 研究背景及意义
         
        我国目前的电动执行器还以角行程、直行程和多转式这些传统的电动执行器为主，现有的执行器在使用时还会遇见各式各样的问题，需要专业的技术员去钻研改进，与国际水平相比还存在结构上简单，功能弱、智能化程度低等缺点。目前上海沃电、温州瑞基、温州澳托克、英国rotork等产品在市场上均有很强的影响力，但市场上销售的基本型电动执行器功能单一，而功能强大的执行器价格又很高，基于以上原因，本文讨论设计一台性价比高的智能电动执行器。
         
        1.3 系统功能描述
         
        本设计力求执行器在功能上齐全，在性能上稳定，在价格上便宜。
         
        执行器具体功能：
         
        (1)本地操作：本地点动操作；本地保持操作。
         
        (2)远方操作：远方手动操作；远方自动操作。
         
        (3)液晶界面显示：开度显示；状态显示；报警显示；菜单显示。
         
        (4)数据保存：将用户设置后的数据存入单片机的EEPROM。
         
        1.4 系统框图
         
        系统总体框图如图1所示。
           
         
           
          2.系统硬件电路设计
         
        2.1 系统电源电路设计
         
        本系统需要的电源主要有三种：
         
        (1)+5V:用于CPU板卡供电
         
        (2)+12V_D:用于换相继电器
         
        (3)+12V_A:用于4-20mA电流产生
         
        要将380V交流电变为直流首先要变压、整流、稳压，所以电源部分就会包括变压器、整流电路、稳压电路这三个部分。
         
        整流电路：可采取最通用最可靠的桥式整流。
         
        稳压电路：可使用ST公司的LM78XX系列三端稳压芯片。
         
        2.2 380V电源鉴相电路设计
         
        鉴相电路目的是想判别输入信号的相位差，将相位差转换成不同的信号以便后级使用。根据这一原则，首先输入信号要为方波，而本设计使用的380V正弦信号，所以第一步要做的就是将正弦信号转为方波。由于系统控制器采用的是单片机，其供电为5V直流信号，需要鉴相的信号是380V高压信号，为了避免在控制的时候收到高压信号的干扰，在电路设计时还要考虑前后级之间的隔离。在鉴别相序的时候采取软件来进行相序分析。本设计采用Atmega128单片机作为处理器，资源富裕完全有空间来完成鉴相功能，而且采取软件处理可以减少硬件电路的设计调试，也可减小最后PCB的面积。
         
        鉴相前级采样电路由两部分组成：正弦信号变换为方波，电源隔离。
         
        2.3 红外遥控发射电路设计
         
        通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。发射部分包括键盘、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括LED红外接收器、光电放大器、解调和解码电路。
         
        红外遥控系统框图如图2所示。
         
        2.4 交流电机控制电路设计
         
        交流电机控制电路如图3所示。
         
        继电器驱动电路：
         
        继电器驱动电路采取互锁的形式，防止电路在换相的时候出现短路的状况。继电器线圈上要加蓄流二极管，否则线圈中的电不能及时的放干净，在切换相序的时候也容易短路。二极管要选取开关速度快的肖特基二极管。继电器选型只要满足耐压和蓄流能力就可以了。
         
         
        2.5 显示电路设计
         
        液晶显示采用O12864SGD14CFNE型号，此种液晶体积小，但也是128X64个显示点，并且功耗低、驱动简单。
         
        2.6 4-20mA电流产生电路设计
         
        目前最普遍使用的电流产生原理是电压/电流转换即V/I转换，将输入的电压信号转换为具有一定关系的电流信号，通过转换的电流相当于一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。
         
        针对本设计来说使用PWM占空比来控制4-20mA电流输出，而且也减少了外围电路的设计，增强了系统的稳定性。
         
        2.7 保护电路设计
         
        鉴于电源电路存在一些不稳定因素，用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等。
         
        电机过流检测设计采用电流互感器来检测电流过载。在供电用电的线路中电流电压相差悬殊。线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器的作用就是变流和电气隔离。电流互感器原理其实就是电磁感应原理。
         
        本电路使用的是380V交流电，所以用电流互感器来检测较为安全，经过电流互感器将大电流变为小电流然后在变换为电压，再送入单片机处理。
           
          3.系统软件的设计
         
        3.1 系统总体流程图
         
        系统总体流程图如图4所示。
         
        3.2 鉴相处理及电机控制
         
        鉴相采集的原理其实很简单，380V交流电已由外部硬件电路转换为方波，单片机只需处理输入两路信号超前与滞后的关系就可以了，这里使用外部中断来捕捉外部输入的方波的信号。
         
        电机控制包括正转、反转和停止，这里就需要换相和电源通电控制。
         
        注意：一定要先进行换相然后再对电机通电，否则在电机动作的时候进行换相会发生短路的情况。
           
         
           
          3.3 反馈及远程信号处理
         
        反馈信号主要是检测电动执行器当前的运行状态，其中包括阀门开度反馈、开关到位、过力矩检测、过电流和过热反馈。
         
        过流检测：通过互感器将电流变换为电压然后通过A/D转换后进行处理。
         
        过热检测：通过热敏电阻检测，反馈回开关量。
         
        过力矩检测：通过外部限位开关读取阀门过力矩信号，返回开关量。
         
        开度采集：开度通过于转动阀门连接的电位器反馈信号，由A/D转换后送入单片机进行处理。
        3.4 按键及红外遥控器信号处理
         
        按键主要是用于执行器本地操作和远程切换操作，安装在执行器的外壳上，主要实现本地点动和本地保持动作。
         
        此处要注意的是按键消抖采用定时器延时来做，不要使用等待延时，可以提高单片机的运行速度。
         
        红外遥控器接收管连接到单片机的外部中断，当有信号的时候进入中断处理，可以提高遥控器的执行效率，处理的方法是将发送部分信号进行解码，软件处理是将发送的码字破译成二进制的0和1,由0和1组合成不同的字节即可破解遥控器按键。
         
        3.5 液晶显示驱动软件设计
         
        液晶显示部分显示的内容主要有三种，第一种是开度显示，第二种是电动执行器状态显示，第三种的设置菜单显示。
         
        液晶驱动程序的液晶显示部分的基础，我们使用的液晶是不带字库的液晶，所以在使用的时候需要把要显示的字用取模软件转换成字模。液晶驱动采用串行数据模式，这样可以减少外部管脚的占用。