基于C8051F340的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為解決傳統(tǒng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的不足，提出基于C8051F340的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。智能型控制系統(tǒng)通過(guò)采用友好的人機(jī)交互界面，具備故障自診斷與報(bào)警功能，使調(diào)試操作與故障排查更簡(jiǎn)單方便。在硬件上，通過(guò)采用功率驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)互鎖電路，實(shí)現(xiàn)硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號(hào)同時(shí)有效導(dǎo)致控制回路紊亂，提高了智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性。行程位置控制省去了復(fù)雜的機(jī)械行程，采用無(wú)接觸式磁旋轉(zhuǎn)絕對(duì)編碼器，優(yōu)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了行程分辨率精度，分辨率可達(dá)到0.08790。通過(guò)對(duì)硬件電路和軟件程序的優(yōu)化控制，C8051F340單片機(jī)的合理利用，實(shí)現(xiàn)了閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的智能化、合理化和高可靠性的要求。

1、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用C8051F340作為主控制單元。C8051F340是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型單片機(jī)，具有SiliconLabs專(zhuān)利CIP-51微控制器內(nèi)核，具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、2個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART、1個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、1個(gè)SMBUS端口、40個(gè)I/O引腳，具有5個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)、4352字節(jié)的內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器等。C8051F340片上豐富的硬件資源，使其適用于智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用非侵入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。操作方式為磁感應(yīng)操作，在就地狀態(tài)下，可以通過(guò)操作面板按鈕或手持式紅外遙控器控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)、關(guān)、停操作及參數(shù)設(shè)置、瀏覽等操作，在遠(yuǎn)程狀態(tài)下，可通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)或4~20mA電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)、關(guān)、停等操作。系統(tǒng)具有強(qiáng)大的故障自診斷功能和故障報(bào)警功能，并可記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。智能型控制系統(tǒng)由電源模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)界面模塊、行程檢測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入輸出模塊、模擬量信號(hào)輸入輸出模塊組成，采用C8051F340作為主控制芯片，通過(guò)對(duì)各硬件模塊的輸入輸出操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)控制功能，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

2、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件電路由電源板、主控板、操作面板三部分組成。主控板與操作面板通過(guò)UART口串行通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，主控板接收外部指令控制功率驅(qū)動(dòng)模塊，操作電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，并及時(shí)輸出開(kāi)關(guān)量反饋信號(hào)或模擬量反饋信號(hào)。

2.1、電源模塊

　　電源板為主控板提供兩路直流電壓信號(hào)，一路為+24V(1±1%)，一路為+5V(1±1%)。+24V電壓信號(hào)作為6路開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入輸出信號(hào)及功率驅(qū)動(dòng)模塊電路電源，輸出電路如圖2所示。+5V電壓信號(hào)作為主控板C8051F340單片機(jī)及其他相關(guān)硬件電路電源，輸出電路如圖3所示。

圖2 +24V電源輸出電路

圖3 +5V電源輸出電路

2.2、功率驅(qū)動(dòng)硬件電路

　　功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電路如圖4所示。功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電路實(shí)現(xiàn)硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號(hào)同時(shí)有效導(dǎo)致控制回路紊亂。利用C8051F340單片機(jī)3路IO口作為功率驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)信號(hào)，一路IO口作為觸發(fā)信號(hào)輸出端電源控制信號(hào)，另兩路作為觸發(fā)控制信號(hào)，進(jìn)一步提高了觸發(fā)信號(hào)可靠性。IO口配置為推挽方式，低電平有效。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行有其他設(shè)備，包括各種儀表、傳感器及變頻器，會(huì)引入信號(hào)干擾以及各種危險(xiǎn)的強(qiáng)電壓信號(hào)，為了保證電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的安全性與可靠性，采用光耦TLP521-4對(duì)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)隔離，避免觸發(fā)信號(hào)干擾，保證電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電路

2.3、行程檢測(cè)硬件電路

　　行程檢測(cè)電路采用無(wú)接觸式磁旋轉(zhuǎn)編碼器，可以準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)360°范圍內(nèi)的角度，其分辨率可以達(dá)到0.0879°。編碼器通過(guò)輸入齒輪，與閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程傳動(dòng)部件嚙合，使之具有高精度位置檢測(cè)功能。編碼器具有內(nèi)部穩(wěn)壓器，在主控板+3.3V電源電壓下工作，主控板通過(guò)串口操作，以串行比特流的形式讀出行程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)閥位數(shù)據(jù)的讀取。

2.4、模擬量信號(hào)硬件電路

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)4~20mA模擬量輸出利用C8051F340單片機(jī)的PWM輸出功能。C8051F340具有5個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)，在智能型控制系統(tǒng)里將PCA配置為16位脈寬調(diào)制器方式。在該方式下，16位捕捉/比較模塊定義PWM信號(hào)低電平時(shí)間的PCA時(shí)鐘數(shù)，配置PCA相關(guān)寄存器，可以輸出占空比可變的PWM波。PWM輸出電路采用光耦N101進(jìn)行信號(hào)隔離，在不影響光耦N101開(kāi)關(guān)速率的條件下，PWM波頻率設(shè)置為200Hz。智能型控制系統(tǒng)采集行程檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前閥位值，然后輸出不同頻率的PWM波，在光耦輸出端，通過(guò)RC積分電路將PWM波轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)恒流源硬件電路，輸出4~20mA電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閥位模擬量信號(hào)反饋功能。模擬量反饋信號(hào)輸出電路如圖5所示。

圖5 模擬量反饋信號(hào)輸出電路

2.5、開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入硬件電路

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程狀態(tài)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入硬件電路，接收開(kāi)、關(guān)、停指令信號(hào)，控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相關(guān)動(dòng)作。為避免外部信號(hào)干擾，通過(guò)光耦N109、N110、N111進(jìn)行信號(hào)隔離，隔離后的開(kāi)關(guān)量信號(hào)接入C8051F340單片機(jī)IO口，IO口配置為弱上拉、開(kāi)漏方式，在軟件控制方式中采用“去抖”處理方式，能準(zhǔn)確、及時(shí)采集開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，有效避免誤操作，提高電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。采用二極管VD111，有效避免接線錯(cuò)誤帶來(lái)的影響。開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入電路如圖6所示。

圖6 開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入電路

3、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主程序流程框圖如圖7所示。

圖7 主程序流程框圖

4、運(yùn)行效果

　　通過(guò)合理設(shè)計(jì)，智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性大大提升，通過(guò)了EMC電磁兼容實(shí)驗(yàn)二級(jí)實(shí)驗(yàn)要求。