電動(dòng)執行機構多微處理器的控制方法

　　智能型電動(dòng)執行機構功能齊全，給工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的運行和維護帶來(lái)了極大的便利。然而，目前市場(chǎng)上的智能型電動(dòng)執行機構還無(wú)法達到能同時(shí)滿(mǎn)足適應大部分工況條件以及性?xún)r(jià)比高的要求，為解決智能型電動(dòng)執行機構在工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的匹配，提出基于多微處理器模塊化設計方法，通過(guò)不同模塊的組合，可以實(shí)現不同要求的控制功能。將控制系統分三大模塊及其控制軟件，即人機對話(huà)模塊、系統控制模塊(主控制、電機驅動(dòng)、故障診斷報警、信號反饋、系統通信等)、數據采集模塊(閥位信號采集、力矩信號采集、遠程開(kāi)關(guān)量信號采集、模擬量信號采集)和系統控制軟件。智能型控制系統通過(guò)模塊間協(xié)同工作、合理調配，實(shí)現了閥門(mén)電動(dòng)執行機構控制系統的智能化、通用性強、高可靠性和易維護的要求。

1、多微處理器模塊化設計原理

　　智能型電動(dòng)執行機構控制系統的人機對話(huà)模塊、系統控制模塊、數據采集模塊各自具備一片微處理器，各處理器負責完成各模塊的調度、控制功能，以系統控制模塊為主機，其余模塊為從機，通過(guò)UART口或I2C串行總線(xiàn)，根據通信協(xié)議，完成各模塊間的數據通信與控制功能。系統設計原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統原理

2、人機對話(huà)模塊的設計

　　人機對話(huà)模塊具備狀態(tài)顯示、參數組態(tài)、瀏覽、紅外遙控等功能，硬件部分由顯示屏、就地操作按鍵、指示燈、紅外發(fā)射與接收設備等組成。采用C8051F340單片機實(shí)現人機對話(huà)功能。C8051F340的I/O口可以作為就地操作按鍵的輸入口，也可以作為狀態(tài)指示燈的輸出口，完成顯示屏的顯示功能。模塊通過(guò)UART口實(shí)現紅外數據的發(fā)送與接收，圖2為人機對話(huà)模塊的紅外發(fā)射電路。

圖2 紅外發(fā)射電路

3、信號采集模塊的設計

　　信號采集模塊主要實(shí)現閥位信號和轉矩信號的采集。智能型電動(dòng)執行機構的閥位傳感器主要分為兩種：增量式傳感器和絕對編碼器。增量式傳感器結構相對簡(jiǎn)單，信號穩定，數據處理比較容易，但在主電源斷電情況下，需要電池供電保持閥位計數，一旦電池電壓過(guò)低或無(wú)法供電，電動(dòng)執行機構閥位容易丟失，給現場(chǎng)生產(chǎn)運行帶來(lái)不便。絕對編碼器由于每一個(gè)位置對應不同的編碼，具有閥位記憶功能，所以無(wú)須電池供電，也不會(huì )出現閥位丟失現象，但絕對編碼器對硬件和軟件要求較高，特別是容易出現誤碼，需要進(jìn)行軟件處理才能使用。圖3為增量式傳感器的信號采集電路。

圖3 閥位信號采集電路

　　在正常運行狀態(tài)下，當BMQ_C引腳為低電平時(shí)，三極管Q102導通，V9XX為閥位傳感器供電，當閥位發(fā)生變化時(shí)，閥位傳感器輸出兩路正交脈沖，脈沖信號如圖4所示。

圖4 閥位傳感器脈沖信號圖

　　信號采集模塊中通過(guò)微處理器的I/O口采集閥位傳感器的脈沖信號，通過(guò)數據分析，計算出當前閥位狀態(tài)，然后通過(guò)串行總線(xiàn)，將閥位數據傳送至系統控制模塊，系統控制模塊再將數據傳遞到人機對話(huà)模塊，通過(guò)人機界面顯示出當前閥位狀態(tài)。

　　智能型電動(dòng)執行機構的轉矩可分為機械轉矩和電子轉矩，機械轉矩簡(jiǎn)單可靠，依靠轉矩開(kāi)關(guān)的動(dòng)作來(lái)判斷轉矩是否達到設定值，對機械零部件加工、裝配的要求較高;電子轉矩采用電子元器件的彈性形變產(chǎn)生的電壓信號傳遞轉矩值，使用前需要進(jìn)行轉矩標定，對信號采集模塊的軟件要求較高。在符合標準的轉矩要求下，采用機械轉矩即可滿(mǎn)足智能型電動(dòng)執行機構轉矩控制要求。信號采集模塊可將轉矩動(dòng)作信號傳遞至系統控制模塊，從而控制電機的開(kāi)、關(guān)、停操作。

　　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，信號采集模塊通過(guò)光耦N109、N110、N111將遠方開(kāi)關(guān)量輸入信號進(jìn)行信號隔離，隔離后的開(kāi)關(guān)量信號接入單片機的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。為防止由于外部接線(xiàn)錯誤而導致硬件電路損壞，采用二極管VD111，有效避免接線(xiàn)錯誤帶來(lái)的影響。

4、系統控制模塊的設計

　　系統控制模塊主要實(shí)現電機驅動(dòng)功能和故障自診斷報警功能，并通過(guò)串行總線(xiàn)，讀取信號采集模塊的數據信息，處理后再發(fā)送至人機對話(huà)模塊。

　　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單片機三路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)一步提高觸發(fā)信號可靠性。IO口配置為推挽方式，低電平有效。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。

　　系統控制模塊還具備故障自診斷與報警功能，在判斷出故障現象時(shí)，根據故障優(yōu)先級及安全保證，可采取不同控制方法，選擇保位或運行至指定位置，同時(shí)，輸出故障狀態(tài)信號，并在人機對話(huà)界面顯示故障代碼。