三相電動執(zhí)行機構(gòu)智能控制器的設(shè)計

　　介紹了基于ADuC813單片機和ATT7028A三相電能芯片開發(fā)設(shè)計的三相電動執(zhí)行機構(gòu)智能控制器的系統(tǒng)組成和工作原理;并著重介紹了硬件構(gòu)成及實現(xiàn)方法，對提高可靠性和穩(wěn)定性所采用的可靠性設(shè)計技術(shù)和電磁兼容設(shè)計技術(shù);通過軟件實現(xiàn)了智能控制器的自診斷和自保護功能。

　　電動執(zhí)行機構(gòu)在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，隨著微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，其智能化水平不斷提高。通過在執(zhí)行機構(gòu)上安裝附加傳感器，由智能控制器在運行中連續(xù)檢測系統(tǒng)運行參數(shù)，使得電動執(zhí)行機構(gòu)的自診斷成為可能。

1、系統(tǒng)組成及工作原理

　　一體化三相電動執(zhí)行機構(gòu)主要由智能控制器、三相電機、減速機構(gòu)、位置傳感器等部件組成。系統(tǒng)組成見圖1。智能控制器接收DCS給定的標準4～20mADC模擬信號與位置傳感器信號比較，構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，驅(qū)動三相電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停，經(jīng)減速機構(gòu)最終控制閥門運行到指定開度。智能控制器同時把位置傳感器信號轉(zhuǎn)換為標準的4～20mADC信號反饋給DCS。智能控制器通過檢測三相電機的溫度、電流、電壓、頻率、相序和閥位等參數(shù)進行故障診斷和處理。

圖1 系統(tǒng)組成

2、硬件設(shè)計

　　智能控制器采用具有8路12位A/D、2路12位D/A和4kB片內(nèi)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲等功能的ADuC813單片機作為智能控制器的核心，減少器件數(shù)量，增強產(chǎn)品的可靠性;采用線性光耦SLC800對輸入和輸出隔離，增強抗干擾和與其他系統(tǒng)匹配的能力;采用電子式無觸點三相電機正反轉(zhuǎn)控制模塊，提高執(zhí)行機構(gòu)的控制精度和可靠性;采用國產(chǎn)三相電能專用芯片ATT7028A檢測三相電機的電壓、電流、相序、功率等參數(shù)，簡化設(shè)計，提高精度和可靠性。控制器的原理框圖見圖2。下面分別對硬件系統(tǒng)做具體簡介。

2.1、ADuC813功能簡介

　　為了滿足通用性、經(jīng)濟性的設(shè)計要求，單片機應(yīng)具備體積小、片內(nèi)外設(shè)豐富、連接外圍器件方便、能夠在線調(diào)試等特點，為此選擇了AD公司生產(chǎn)的ADuC813芯片作為智能控制器的微處理器。

　　ADuC813是高度集成的高精度12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在單個芯片內(nèi)包含了高性能的自校準8通道ADC，2通道12位DAC以及可編程的8位(與8051兼容)的MCU。片內(nèi)提供非易失性62kB閃速/電可擦除程序存儲器，4kB閃速/電可擦除數(shù)據(jù)存儲器，2304B的RAM。另外還集成了有看門狗定時器、電源監(jiān)視器等功能。為多處理器接口和I/O擴展提供了32條可編程的I/O線、I2C兼容的SPI和標準UART串行端口。片內(nèi)2.5VDC參考源和片內(nèi)溫度傳感器。

圖2 控制器原理框圖

2.2、輸入輸出隔離電路

　　這部分電路的主要功能：其一是將4～20mA輸入信號通過線性光電隔離放大器隔離后，轉(zhuǎn)換成0.5～2.5V電壓接MCU的A/D輸入端;其二是將MCUD/A輸出的0.5～2.5V位置反饋信號經(jīng)線性光電隔離放大器隔離后，轉(zhuǎn)換成4～20mA信號輸出。

　　與其他ADC芯片相比，ADuC813的ADC模塊有個缺點，就是ADC正常工作的模擬輸入范圍為0～2.5V;而正常輸入信號范圍是0～+5VDC，需要經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換，ADuC813才能正常轉(zhuǎn)換。另外要特別注意，一旦輸入信號反向，則會影響ADuC813正常工作，表現(xiàn)為ADC的基準電壓(VREF=+2.5V)消失和采樣結(jié)果不正確，且若長時間輸入負電壓，將可能損壞芯片。4～20mA輸入信號接反就會使ADC輸入負的模擬電壓影響ADuC813工作，為了避免這種情況，在輸入電路前端加了一個二極管橋路。使輸入信號無論怎么接都不會產(chǎn)生負電壓，保證了ADuC813的正常工作。

2.3、三相電機正反轉(zhuǎn)控制模塊

　　該模塊采用電子式無觸點固態(tài)繼電器，輸入與輸出光電隔離，模塊內(nèi)部設(shè)置互鎖，有效的防止同一時間內(nèi)固態(tài)繼電器的正反轉(zhuǎn)開關(guān)同時導(dǎo)通。雙色發(fā)光二極管顯示三相電機的轉(zhuǎn)向。其特點是可靠性高、壽命長。

2.4、ATT7028A功能簡介

　　ATT7028A是高精度三相電能專用芯片，主要包括3部分：A/D轉(zhuǎn)換部分、數(shù)字信號處理、通訊及其他。

　　該芯片的A/D部分集成6路二階梯A/D轉(zhuǎn)換器，采用過樣技術(shù)，6個通道可同步采樣，采用雙端差分信號輸入方式分別針對三相電壓、三相電流檢測，各路的采樣是16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過片內(nèi)運算電路的處理，得到24位的測量輸出。

　　數(shù)字信號處理部分對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)先經(jīng)過數(shù)字濾波器濾波，然后分別計算各相的有效值、有功功率、相位、功率因數(shù)、電能和合相的有功功率、電能、頻率、功率因數(shù)等電力參數(shù)。同時還提供電阻網(wǎng)絡(luò)校正和軟件校正兩種方式作誤差校正。

　　ATT7028A提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間數(shù)據(jù)傳遞，所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。另外片內(nèi)還提供一個電源監(jiān)控電路，用于檢測工作電壓。

　　根據(jù)以上特點，采用ATT7028A用于智能控制器三相電機運行參數(shù)的檢測，ADuC813通過SPI口實時讀取電壓、電流、頻率、相序等參數(shù)進行故障診斷和控制。

2.5、電壓和電流的采樣輸入電路

圖3 電壓和電流的采樣輸入電路

　　電機的電壓、電流分別通過電壓、電流互感器，采用差分方式輸入給ATT7028A的電壓通道和電流通道。輸入最大的正弦信號有效值是1V。建議將電壓通道Un對應(yīng)到ADC的輸入選在0.5V，電流通道Ib的ADC輸入選在0.1V。電壓和電流的前端輸入通道電路如圖3所示。

2.6、按鍵和顯示模塊

　　本電路由數(shù)碼顯示驅(qū)動和按鍵組成。可以通過數(shù)碼顯示和按鍵對輸入信號零點、量程，反饋信號零點、量程，死區(qū)、正反作用、安全閥位、流量特性等參數(shù)設(shè)置。顯示運行參數(shù)和診斷信息。方便了用戶的使用和調(diào)試。

2.7、外部看門狗自復(fù)位電路

　　為了保證在強干擾下程序跑飛或進入死循環(huán)時，ADuC813能夠自動恢復(fù)正常工作，選用IMP813LESA芯片作為ADuC813的外部看門狗自復(fù)位電路。一旦程序跑飛或進入死循環(huán)超過1.4秒，就會自動復(fù)位ADuC813，這樣增強了智能控制器的可靠性和抗干擾能力。

2.8、AC/DC電源電路

　　電源為AC/DC穩(wěn)壓電源，共有三路，兩路隔離的15V，主要用于線性光電隔離的前、后電路供電;一路5V主要用于MCU、顯示電路、外部看門狗電路供電。在電源輸入輸出端增加了瞬態(tài)干擾抑制器TVS。TVS是一種高效能電路保護器件，當其受到瞬態(tài)干擾時，其阻值以1x10-12的速度驟然降低并接近零，吸收數(shù)千瓦的浪涌功率，而其兩極間的電壓被箝位在預(yù)定的電壓值以內(nèi)，從而保護了電路;這大大提高了電源的穩(wěn)定性和可靠性。

3、軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計利用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護。智能控制器的軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、故障自診斷及處理模塊、DA輸出模塊、伺服控制及驅(qū)動模塊、顯示/按鍵處理等構(gòu)成�？刂栖浖�流程圖見圖4。

圖4 控制軟件流程圖

4、可靠性設(shè)計與電磁兼容性設(shè)計

　　產(chǎn)品的可靠性設(shè)計技術(shù)，指的是為了提高產(chǎn)品的可靠性，在設(shè)計上采取的一系列技術(shù)措施，例如元器件的降額設(shè)計、簡化電路設(shè)計、熱設(shè)計技術(shù)、冗余設(shè)計等，以便合理地選擇元器件，設(shè)計電路系統(tǒng)，確定參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式。正確地進行產(chǎn)品的可靠性設(shè)計，是確保產(chǎn)品可靠性的前提，同時也更便于產(chǎn)品的生產(chǎn)和調(diào)試，使之達到規(guī)定的可靠性指標。在使用時，則能保證產(chǎn)品在允許的不同工作環(huán)境下可靠地工作。智能控制器在電路設(shè)計過程中，采用了多種可靠性設(shè)計技術(shù)，使之具有較高的可靠性水平�？煽啃灾笜耍篗TBF≥25000h。

　　另外，本產(chǎn)品在開發(fā)過程中還運用了電磁兼容性設(shè)計技術(shù)來提高智能控制器的抗干擾能力與工作穩(wěn)定性。

5、結(jié)束語

　　本文基于ADuC813單片機和ATT7028A三相電能芯片設(shè)計了一款新型三相電動執(zhí)行機構(gòu)智能控制器。該控制器具有高度的自身保護及系統(tǒng)保護功能，可以對多種故障進行診斷，并就地處理。由于采用了電磁兼容性設(shè)計技術(shù)和可靠性設(shè)計技術(shù)，使智能控制器的抗干擾能力和可靠性大大提高;本產(chǎn)品已定型生產(chǎn)銷售，在現(xiàn)場經(jīng)過長期運行，性能穩(wěn)定、可靠，使用效果非常好，證明總體設(shè)計是成功的，方法是得當?shù)模�現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。