三相電動執(zhí)行機構智能控制器的設計

1、三相電動執(zhí)行機構智能控制器的設計 介紹了基于ADuC813單片機和ATT7028A三相電能芯片開發(fā)設計的三相電動執(zhí)行機構智能控制器的系統(tǒng)組成和工作原理;并著重介紹了硬件構成及實現方法，對提高可靠性和穩(wěn)定性所采用的可靠性設計技術和電磁兼容設計技術;通過軟件實現了智能控制器的自診斷和自保護功能。 電動執(zhí)行機構在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，隨著微電子技術和傳感器技術的發(fā)展，其智能化水平不斷提高。通過在執(zhí)行機構上安裝附加傳感器，由智能控制器在運行中連續(xù)檢測系統(tǒng)運行參數，使得電動執(zhí)行機構的自診斷成為可能。 1、系統(tǒng)組成及工作原理 一體化三相電動執(zhí)行機構主要由智能控制器、三相電機、減速機構、位

2、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420mADC模擬信號與位置傳感器信號比較，構成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，驅動三相電機正轉、反轉或停，經減速機構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換為標準的420mADC信號反應給DCS。智能控制器通過檢測三相電機的溫度、電流、電壓、頻率、相序和閥位等參數開展故障診斷和處理。 圖1 系統(tǒng)組成 2、硬件設計 智能控制器采用具有8路12位A/D、2路12位D/A和4kB片內閃速/電擦除數據存儲等功能的ADuC813單片機作為智能控制器的核心，減少器件數量，增強產品的可靠性;采用線性光耦SLC800對輸入和輸出隔離，

3、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控制模塊，提高執(zhí)行機構的控制精度和可靠性;采用國產三相電能專用芯片ATT7028A檢測三相電機的電壓、電流、相序、功率等參數，簡化設計，提高精度和可靠性?？刂破鞯脑砜驁D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、經濟性的設計要求，單片機應具備體積小、片內外設豐富、連接外圍器件方便、能夠在線調試等特點，為此選擇了AD公司生產的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位數據采集系統(tǒng)，它在單個芯片內包含了高性能的自校準8通道ADC，2通道12位DAC

4、以及可編程的8位(與8051兼容)的MCU。片內提供非易失性62kB閃速/電可擦除程序存儲器，4kB閃速/電可擦除數據存儲器，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2.5VDC參考源和片內溫度傳感器。 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420mA輸入信號通過線性光電隔離放大器隔離后，轉換成0.52.5V電壓接MCU的A/D輸入端;其二是將MCUD/A輸出的0.52.5V位置反應信號經線性光電隔離放大器隔離后，轉換成420m

5、A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02.5V;而正常輸入信號范圍是0+5VDC，需要經過內部轉換，ADuC813才能正常轉換。另外要特別注意，一旦輸入信號反向，則會影響ADuC813正常工作，表現為ADC的基準電壓(VREF=+2.5V)消失和采樣結果不正確，且若長時間輸入負電壓，將可能損壞芯片。420mA輸入信號接反就會使ADC輸入負的模擬電壓影響ADuC813工作，為了防止這種情況，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生負電壓，保證了ADuC813的正常工作。 2.3、三相電機正反轉控制模塊

6、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，模塊內部設置互鎖，有效的防止同一時間內固態(tài)繼電器的正反轉開關同時導通。雙色發(fā)光二極管顯示三相電機的轉向。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轉換部分、數字信號處理、通訊及其他。 該芯片的A/D部分集成6路二階梯A/D轉換器，采用過樣技術，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/數轉換，經過片內運算電路的處理，得到24位的測量輸出。 數字信號處理部分對A/D轉換后的數據先經過數字濾波器濾波，然后分

7、別計算各相的有效值、有功功率、相位、功率因數、電能和合相的有功功率、電能、頻率、功率因數等電力參數。同時還提供電阻網絡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之間數據傳遞，所有計量參數都可以通過SPI接口讀出。另外片內還提供一個電源監(jiān)控電路，用于檢測工作電壓。 根據以上特點，采用ATT7028A用于智能控制器三相電機運行參數的檢測，ADuC813通過SPI口實時讀取電壓、電流、頻率、相序等參數開展故障診斷和控制。 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ATT7

8、028A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 本電路由數碼顯示驅動和按鍵組成?？梢酝ㄟ^數碼顯示和按鍵對輸入信號零點、量程，反應信號零點、量程，死區(qū)、正反作用、安全閥位、流量特性等參數設置。顯示運行參數和診斷信息。方便了用戶的使用和調試。 2.7、外部看門狗自復位電路 為了保證在強干擾下程序跑飛或進入死循環(huán)時，ADuC813能夠自動恢復正常工作，選用IMP813LESA芯片作為ADuC813的外部看門狗自復位電路。一旦程序跑飛或

9、進入死循環(huán)超過1.4秒，就會自動復位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，吸收數千瓦的浪涌功率，而其兩極間的電壓被箝位在預定的電壓值以內，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、軟件設計 軟件設計利用C語言編寫，采用模塊化設計方法，使得程序構造清

10、晰，便于調試和維護。智能控制器的軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、數據采集及處理模塊、故障自診斷及處理模塊、DA輸出模塊、伺服控制及驅動模塊、顯示/按鍵處理等構成?？刂栖浖鞒虉D見圖4。 圖4 控制軟件流程圖 4、可靠性設計與電磁兼容性設計 產品的可靠性設計技術，指的是為了提高產品的可靠性，在設計上采取的一系列技術措施，例如元器件的降額設計、簡化電路設計、熱設計技術、冗余設計等，以便合理地選擇元器件，設計電路系統(tǒng)，確定參數及構造形式。正確地開展產品的可靠性設計，是確保產品可靠性的前提，同時也更便于產品的生產和調試，使之到達規(guī)定的可靠性指標。在使用時，則能保證產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計過程中，采用了多種可靠性設計技術，使之具有較高的可靠性水平。可靠性指標：MTBF25000h。 另外，本產品在開發(fā)過程中還運用了電磁兼容性設計技術來提高智能控制器的抗干擾能力與工作穩(wěn)定性。 5、結束語 本文基于ADuC813單片機和ATT7028A三相電能芯片設計了