基于模糊控制的閥門定位器設(shè)計(jì)

　　閥門定位器是一種與改變流體流量的調(diào)節(jié)閥配套使用的輔助儀表。目前，國(guó)內(nèi)廣泛使用的定位器是采用模擬信號(hào)和力平衡原理生產(chǎn)的，隨著生產(chǎn)過(guò)程控制的不斷發(fā)展，及對(duì)控制性能的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的定位器已難以滿足工業(yè)控制的需要。為此智能型閥門定位器應(yīng)運(yùn)而生。它采用微處理器技術(shù)和功能模塊，具有自校準(zhǔn)自適應(yīng)自診斷功能和免維護(hù)運(yùn)行等特點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中運(yùn)用先進(jìn)的微控制器芯片及外圍擴(kuò)展器件，設(shè)計(jì)具有良好性能的智能閥門定位器，對(duì)閥門的工作進(jìn)行定位、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)字化、智能化的產(chǎn)品要求。最終研制的產(chǎn)品要做到體積小、精度高、功能齊全、操作方便。本文設(shè)計(jì)的定位器的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　1.1 微控制器及其外圍電路設(shè)計(jì)

　　微控制器采用的是XC164CM單片機(jī)，它是德國(guó)英飛凌公司16位微控制器系列的第四代產(chǎn)品，具有運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性好、電磁兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于實(shí)時(shí)性、可靠性要求高、電磁環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合。C166 V2內(nèi)核采用5級(jí)指令流水線機(jī)制(外加2級(jí)預(yù)取指令流水線)。該機(jī)制使得XC164CM執(zhí)行絕大多數(shù)指令平均只需一個(gè)CPU時(shí)鐘周期，大大提高了微控制器的指令執(zhí)行速度。C166 V2內(nèi)核中的高性能16位CPU內(nèi)部集成了一個(gè)乘法累加單元(MAC)。MAC單元擁有一套獨(dú)立指令集，使XC164CM具有16位定點(diǎn)DSP的部分功能，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成較為復(fù)雜的數(shù)字算法，例如：MAC支持單時(shí)鐘周期完成乘加運(yùn)算(16位x16位+32位)，并能自動(dòng)地以飽和的方式來(lái)防止計(jì)算結(jié)果的溢出。XC164CM在C166 V2內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了豐富的片上外圍子系統(tǒng)，能很好的滿足汽車傳動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)各種I/O接口的需要。

　　1.2 電源電路

　　在系統(tǒng)電路中，邏輯電路需要5V直流電壓，傳感器電路、A/D、D/A、等需要5V參考基準(zhǔn)電壓，運(yùn)算放大器需要±12V電壓，微控制器還需要一個(gè)2.5V的內(nèi)核電壓，而電磁閥則需要24V電壓。由于本定位器采用的是二線制低功耗設(shè)計(jì)，且定位器輸入的只是一個(gè)電流信號(hào)，因此，需要將4-20mA的電流變換為所需要的電壓。本實(shí)用新型中，通過(guò)電流輸入轉(zhuǎn)化的24V電壓經(jīng)過(guò)濾波電路后，提供給兩個(gè)DC/DC模塊，分別將電壓轉(zhuǎn)換為+5V和正負(fù)12V。+5V電壓經(jīng)過(guò)LM1117變換為+2.5V，用于微控制器的內(nèi)核供電。正負(fù)12V用于給運(yùn)放供電。其中正12V還用于產(chǎn)生+5V參考電壓提供給A/D轉(zhuǎn)換電路。

　　1.3 信號(hào)調(diào)理及ADC電路

　　圖2為4～20mA電流信號(hào)調(diào)理電路。4～20mA信號(hào)流過(guò)120歐姆的精密采樣電阻，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。再通過(guò)儀用放大器LT1920，輸出給ADC芯片MCP3204。二極管D1可以防止電流反接。D7是一個(gè)TVS管，起著過(guò)壓保護(hù)的作用。扼流圈用于抑制共模干擾。R12，R21，C10，C11，C12構(gòu)成一個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)，用于濾除高頻干擾?？梢钥闯?，電路中既有共模濾波(R12/C10，R21/C12)，又有差模濾波(R12+R21，C11)。濾波器的總帶寬至少應(yīng)為輸入信號(hào)帶寬的100倍。元件應(yīng)對(duì)稱安裝在具有大面積接地面的印制電路板上，并且位置十分靠近儀用放大器的輸入端，以使濾波器達(dá)到最佳性能。共模濾波的時(shí)間常數(shù)可以按如下計(jì)算：TCM=R12*C10=R21*C12。差模濾波的時(shí)間常數(shù)可以按如下公式計(jì)算：TDIFF=(R12+R21)*C11。

　　LT1920是LINEAR公司的一款高精度儀用放大器。儀用放大器是一種具有差分輸入和其輸出相對(duì)于參考端為單端輸出的閉環(huán)增益單元。輸入阻抗呈現(xiàn)為對(duì)稱阻抗且具有較大的數(shù)值。與由接在反相輸入端和輸出端之間的外部電阻決定的閉環(huán)增益運(yùn)算放大器不同，儀用放大器使用一個(gè)其信號(hào)和輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。其增益可由外部電阻設(shè)定，典型值為1～10000。LT1920是一款低功耗、高精度的儀用放大器。

　　閥門的實(shí)際開(kāi)度反饋信號(hào)來(lái)自于傳感器接口電路。傳感器采用的是高性能的導(dǎo)電塑料精密電位器，是具有較高分辨能力的、高可靠性的經(jīng)濟(jì)類型產(chǎn)品。傳感器輸入5V參考電壓，輸出反饋電壓信號(hào)。傳感器相當(dāng)于一個(gè)電位器，通過(guò)電阻進(jìn)行分壓，所以反饋電壓信號(hào)和閥門開(kāi)度是線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　圖3為ADC電路，其中AD轉(zhuǎn)換芯片采用Microchip公司的12位精密ADC芯片MCP3204。MCP3204通過(guò)SSC串口和XC164CM通信。MCP3204共有4個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換通道，分別用來(lái)轉(zhuǎn)換閥位反饋值、電壓設(shè)定值、電流設(shè)定值等模擬量。