ZIKJ型电动执行机构智能控制器的设计

1、ZIKJ型电动执行机构智能控制器的设计智能控制器是电动执行机构极为重要的位置控制单元。 本文介绍的智能控制器(PCU)具有如下特点：智能控制器设计为印刷线路板卡式结构，设定键、操作按钮、调节拨盘、显示器等均安装在一块印板上，操作、调试、更换极为方便。 在电机控制算法上采用比例+步进控制方式，避免了超调、振荡的发生，使执行机构在电机不加电磁制动器的情况下，也能达到精确的位置控制精度要求。 功率部件采用性能可靠的固态继发器件，保证了执行机构在高低温条件下的长期可靠运行。 具有自诊断、自动扫描、故障报警、事故处理及正反作用切换以及与上位机通信等功能，极具实用性。 1 工作原理智能控制器工作原理如图1

2、所示。智能控制器采用新型的高效单片CPU和外围芯片组成智能化的位置控制单元，接收统一的标准直流信号，经信号处理及A/D转换送至微处理机，微处理机将处理后的数据送至显示单元显示调节结果，发出固态继电器控制信号，并驱动交流伺服电机。与此同时，位置信号自我反馈，从而达到自动调节的目的。此外，还可根据需要，将数据通过RS一485串行通信送至计算机。 2 硬件设计 智能控制器根据性能好、可靠性高、抗干扰能力强、价格低的设计原则，其硬件设计采用了新型高效的单片CPU，外围芯片均采用串口控制。具体选择如下： CPU采用目前较为普遍应用的MCS-51系列芯片AT89C52，使用其片内的程序存储器编程，免去了使

3、用外接EPROM时所需的较多的数据线、地址线等，从而增加了输入、输出端口。设计时，将键盘和功能选择开关直接连至CPU的P0口，死区、延迟选择开关直接连至CPU的P2口，余下的P1、P3口则用作各外围芯片的串口控制及输出等。这样，单片机的各输入、输出端口得到了充分利用，线路简洁、总体结构合理。 A/D、D/A转换器均采用串口控制的芯片。A/D转换选用AD公司出品的、适用于低频测量的AD7705。AD7705系列采用-技术，具有实现16位无误码的良好性能，采样速度快且双通道输入，分别采集输入信号和位置反馈信号，能满足实时控制的需要。电流输出的D/A转换部分则采用高输入阻抗、低功耗的10位D/A转换

4、器TLC5615芯片。 电压基准采用微功耗的LM285-2.5，其温度漂移系数较低，工作温度范围为-20-+85 。 采用EEPROM25045(X5045P)芯片保存系统的工作参数等，保证系统通电后就能马上投入工作，25045系串行接口，具非易失功能。 本智能控制器采用MAX813L为系统的看门狗电路。当系统受到外界强烈干扰、程序万一出错时，MAX813L芯片可使智能控制器的程序复位，保证其能长期可靠地工作。 在智能控制器的电源部分前端加上电源滤波器，并在主机电源等处加上足够多的去耦电容，以提高智能控制器的抗干扰能力。 采用光电耦合器件用于智能控制器主机电源与输出电源间的隔离，提高了系统的可

5、靠性。 驱动电机的固态继电器经精心筛选，其工作电压、工作电流留有较大的余量，输出端加接压敏电阻，保证了输出部分能长期可靠工作。 3软件设计 3.1 总体设计 智能控制器的设计软件主要是由主程序、按键拨盘扫描子程序、自动调试子程序、故障处理子程序、AD7705模/数转换子程序、运算子程序、TLC5615数/模转换输出子程序、定时中断子程序、数据保存子程序。手动操作子程序等组成。主程序流程框图如图2所示。 单片机通电后首先进行初始化。初始化完毕后，扫描键盘、拨盘等，根据其设定确定用户所需的各项设置，如死区、延迟时间、满度设置、故障处理方式、正反作用等，并将这些设置转换成单片机程序处理所认可的各项数

6、据。若有按键功能，则分别进行判断并作相应动作，如自动调试、手动操作、CH1设置、CH2设置等。 按键扫描后，程序回到正常运行状态，通过对两路A/D信号的采样，即420mA电流输入信号和位置反馈信号按比例换算后，不断进行比较判断，发出电机正转或反转的动作指令，同时点亮对应的LED灯予以运行状态指示。在比较判断过程中，以比例+步进的控制方式达到最终的控制目标。在整个运行过程中，也实时对外输出420mA的位置反馈电流信号。 在正常运行过程中，若检测到有故障，程序转向故障处理，点亮故障报警指示灯并按故障状态设置作出相应动作：执行机构全开、全关或保持原位。若有CH1设置，执行机构的全开、全关位置将根据其

7、设定值来确定。 3.2 电机控制设计 在采用电动执行机构作为执行单元的自动控制系统中，执行器由于刹车失灵或不灵敏区太小容易出现振荡现象。而克服振荡的方法有三种： 采用刹车装置；扩大不灵敏区； 降低伺服电机的转速。目前刹车装置不太可靠，且执行器的刹车装置系机械装置，使用寿命短，调整困难，使用效果不太理想。而扩大不灵敏区直接影响控制精度。降低伺服电机转速可直接减小惰走，但会增大执行器全行程时间，降低执行器调节速度，与调节系统的快速要求相矛盾。 故在本设计中采用的为比例+步进的控制方法：在运行过程中设置了大小两个死区(即不灵敏区)，当执行机构在大偏差时，即电流输入信号和位置反馈信号两者之间差值较大时，以正常的比例控制法快速动作调节；若两者之间的差值大于小死区而小于大死区，即进入小偏差时，则改转入步进子程序，以慢速作精密的、稳定的调节，直至执行机构达到要求的位置(即偏差值达到小死区范围以内)。 4 主要技术性能 输入信号：420mA，d.C. 输入阻抗：125 位置信号：420mA，d.C. 输出负载电阻：0500 输出功