基于C8051F340的智能型電動(dòng)執行機構控制系統設計
為解決傳統電動(dòng)執行機構在工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的不足，提出基于C8051F340的智能型電動(dòng)執行機構控制系統的設計方法。智能型控制系統通過(guò)采用友好的人機交互界面，具備故障自診斷與報警功能，使調試操作與故障排查更簡(jiǎn)單方便。在硬件上，通過(guò)采用功率驅動(dòng)控制信號互鎖電路，實(shí)現硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號同時(shí)有效導致控制回路紊亂，提高了智能型電動(dòng)執行機構的可靠性。行程位置控制省去了復雜的機械行程，采用無(wú)接觸式磁旋轉絕對編碼器，優(yōu)化了機械結構，提高了行程分辨率精度，分辨率可達到0.08790。通過(guò)對硬件電路和軟件程序的優(yōu)化控制，C8051F340單片機的合理利用，實(shí)現了閥門(mén)電動(dòng)執行機構控制系統的智能化、合理化和高可靠性的要求。
1、控制系統設計原理
智能型電動(dòng)執行機構控制系統采用C8051F340作為主控制單元。C8051F340是完全集成的混合信號片上系統型單片機，具有SiliconLabs專(zhuān)利CIP-51微控制器內核，具有標準8052的所有外設部件，包括4個(gè)16位計數器/定時(shí)器、2個(gè)具有擴展波特率配置的全雙工UART、1個(gè)增強型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)器功能的可編程計數器/定時(shí)器陣列(PCA)、4352字節的內部RAM、128字節特殊功能寄存器等。C8051F340片上豐富的硬件資源，使其適用于智能型電動(dòng)執行機構控制系統。
智能型電動(dòng)執行機構控制系統采用非侵入式結構設計，技術(shù)先進(jìn)，結構簡(jiǎn)單，可靠性高。操作方式為磁感應操作，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)執行機構的開(kāi)、關(guān)、停操作及參數設置、瀏覽等操作，在遠程狀態(tài)下，可通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號或4~20mA電流信號實(shí)現電動(dòng)執行機構的開(kāi)、關(guān)、停等操作。系統具有強大的故障自診斷功能和故障報警功能，并可記錄設備運行狀態(tài)。智能型控制系統由電源模塊、功率驅動(dòng)模塊、人機界面模塊、行程檢測模塊、開(kāi)關(guān)量信號輸入輸出模塊、模擬量信號輸入輸出模塊組成，采用C8051F340作為主控制芯片，通過(guò)對各硬件模塊的輸入輸出操作，實(shí)現對閥門(mén)電動(dòng)執行機構的各項控制功能，其系統設計原理框圖如圖1所示。
圖1 控制系統原理框圖
2、控制系統的硬件設計
智能型電動(dòng)執行機構控制系統硬件電路由電源板、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)現人機對話(huà)，主控板接收外部指令控制功率驅動(dòng)模塊，操作電機正反轉運行，實(shí)現閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，并及時(shí)輸出開(kāi)關(guān)量反饋信號或模擬量反饋信號。
2.1、電源模塊
電源板為主控板提供兩路直流電壓信號，一路為+24V(1±1%)，一路為+5V(1±1%)。+24V電壓信號作為6路開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入輸出信號及功率驅動(dòng)模塊電路電源，輸出電路如圖2所示。+5V電壓信號作為主控板C8051F340單片機及其他相關(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、功率驅動(dòng)硬件電路
功率驅動(dòng)信號控制電路如圖4所示。功率驅動(dòng)信號控制電路實(shí)現硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號同時(shí)有效導致控制回路紊亂。利用C8051F340單片機3路IO口作為功率驅動(dòng)電路觸發(fā)信號，一路IO口作為觸發(fā)信號輸出端電源控制信號，另兩路作為觸發(fā)控制信號，進(jìn)一步提高了觸發(fā)信號可靠性。IO口配置為推挽方式，低電平有效。電動(dòng)執行機構在工業(yè)現場(chǎng)使用過(guò)程中，由于現場(chǎng)運行有其他設備，包括各種儀表、傳感器及變頻器，會(huì )引入信號干擾以及各種危險的強電壓信號，為了保證電動(dòng)執行機構控制系統的安全性與可靠性，采用光耦TLP521-4對觸發(fā)信號進(jìn)行信號隔離，避免觸發(fā)信號干擾，保證電動(dòng)執行機構可靠、穩定運行。
圖4 功率驅動(dòng)信號控制電路
2.3、行程檢測硬件電路
行程檢測電路采用無(wú)接觸式磁旋轉編碼器，可以準確測量整個(gè)360°范圍內的角度，其分辨率可以達到0.0879°。編碼器通過(guò)輸入齒輪，與閥門(mén)電動(dòng)執行機構的行程傳動(dòng)部件嚙合，使之具有高精度位置檢測功能。編碼器具有內部穩壓器，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據，實(shí)現閥位數據的讀取。
2.4、模擬量信號硬件電路
智能型電動(dòng)執行機構控制系統4~20mA模擬量輸出利用C8051F340單片機的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)器功能的可編程計數器/定時(shí)器陣列(PCA)，在智能型控制系統里將PCA配置為16位脈寬調制器方式。在該方式下，16位捕捉/比較模塊定義PWM信號低電平時(shí)間的PCA時(shí)鐘數，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)行信號隔離，在不影響光耦N101開(kāi)關(guān)速率的條件下，PWM波頻率設置為200Hz。智能型控制系統采集行程檢測信號，計算當前閥位值，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波轉換成電壓信號，通過(guò)恒流源硬件電路，輸出4~20mA電流信號，實(shí)現閥位模擬量信號反饋功能。模擬量反饋信號輸出電路如圖5所示。
圖5 模擬量反饋信號輸出電路
2.5、開(kāi)關(guān)量信號輸入硬件電路
智能型電動(dòng)執行機構控制系統在遠程狀態(tài)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號輸入硬件電路，接收開(kāi)、關(guān)、停指令信號，控制電動(dòng)執行機構完成相關(guān)動(dòng)作。為避免外部信號干擾，通過(guò)光耦N109、N110、N111進(jìn)行信號隔離，隔離后的開(kāi)關(guān)量信號接入C8051F340單片機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，能準確、及時(shí)采集開(kāi)關(guān)量輸入信號，有效避免誤操作，提高電動(dòng)執行機構運行的可靠性。采用二極管VD111，有效避免接線(xiàn)錯誤帶來(lái)的影響。開(kāi)關(guān)量信號輸入電路如圖6所示。
圖6 開(kāi)關(guān)量信號輸入電路
3、控制系統的軟件設計
智能型電動(dòng)執行機構控制系統主程序流程框圖如圖7所示。
圖7 主程序流程框圖
4、運行效果
通過(guò)合理設計，智能型電動(dòng)執行機構控制系統運行可靠性大大提升，通過(guò)了EMC電磁兼容實(shí)驗二級實(shí)驗要求。
