基于雙MCU結(jié)構(gòu)和總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

1 引言

執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中具有十分重要的作用，它直接實(shí)施控制動(dòng)作，按功能可分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。它是一種現(xiàn)場(chǎng)類(lèi)儀表，精度、輸出力、抗干擾、防爆以及多種環(huán)境的適應(yīng)性能等都是其主要性能指標(biāo)。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS（Field bus Control System）利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)放、具有互操作性的網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)各控制器與儀表設(shè)備互連，構(gòu)成控制系統(tǒng)，同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，這樣降低了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。因此，F(xiàn)CS實(shí)質(zhì)是一種開(kāi)放、具有互操作性、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，已成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。

2 CAN總線(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

CAN總線(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)SJA1000和82C250與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信；通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制伺服電機(jī)正/反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)閥位控制。為了避免通信過(guò)程中數(shù)據(jù)發(fā)生堵塞，該設(shè)計(jì)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，利用雙口RAM作為兩個(gè)微控制器獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器。其中負(fù)責(zé)通信的微控制器根據(jù)雙口RAM的指定存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)或讀取數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)通信；而另一個(gè)微控制器則通過(guò)雙口RAM的信息及信號(hào)采集檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制功能。這兩片微控制器均選用AT89C51。為了保證斷電或其他突發(fā)情況下信息不丟失，還增加了一個(gè)E2PROM器件24C08。位置傳感器選用有間隙補(bǔ)償性電位器，通過(guò)電位器把執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的機(jī)械變化量按比例轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到控制器，參與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)、控制，同時(shí)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理功能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用低速伺服電機(jī)。減速器采用具有高效行星減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它把伺服電機(jī)輸出的高速低轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出軸的大轉(zhuǎn)矩低速旋轉(zhuǎn)。

2．2 信號(hào)采集檢測(cè)電路

CAN總線(xiàn)執(zhí)行器接收來(lái)自上位儀表的4～20 mA模擬信號(hào)，或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接收上位儀表發(fā)送的數(shù)字信號(hào)，并將與執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置傳感器反饋信號(hào)的偏差作為調(diào)節(jié)依據(jù)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)向消除差值的方向運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到預(yù)定效果。其中輸入A／D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置傳感器信號(hào)和電壓信號(hào)。因此，A/D轉(zhuǎn)換器至少應(yīng)有2個(gè)輸入通道。這里選用A／D轉(zhuǎn)換器AD7705，它有2個(gè)模擬通道，可進(jìn)行2種模擬量的轉(zhuǎn)換。高精密導(dǎo)電塑料電位器傳感器獲得的相應(yīng)閥門(mén)位置的電壓信號(hào)由AD7705的引腳6和7（AIN1和AIN2）輸入。A／D轉(zhuǎn)換信號(hào)采集電路框圖如圖1所示。AD7705的輸出信號(hào)直接接至微控制器的RXD（P3.O）端，TXD（P3.1）端則為AD7705提供時(shí)鐘信號(hào)。因此，A／D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘由微控制器AT89C51提供。微控制器AT89C51利用串口與AD7705通信，將串口設(shè)定為工作方式0，即同步移位寄存器方式。此外，該微控制器通過(guò)引腳P1．5控制CS，通過(guò)引腳P1．7判斷DRDY。這樣，系統(tǒng)首先選中，則要先清P1．5端口線(xiàn)。接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷引腳DRDY電平，若為低電平，則表明已有有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至AD7705的數(shù)據(jù)輸出寄存器。

2．3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

控制器接收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋開(kāi)度信號(hào)，通過(guò)比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)，產(chǎn)生啟停信號(hào)和換向信號(hào)?？刂崎_(kāi)關(guān)以固體繼電器為核心，根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的啟停和換向信號(hào)控制兩個(gè)固體繼電器交替工作，從而實(shí)現(xiàn)AC單相可逆電機(jī)啟停和換向控制。需要注意的是，為了保證伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)換向，在設(shè)計(jì)控制回路時(shí)，要考慮到保護(hù)電機(jī)的有效運(yùn)行，避免因動(dòng)作不協(xié)調(diào)或電路老化導(dǎo)致電路短路。主回路采取正反轉(zhuǎn)換向信號(hào)互鎖設(shè)計(jì)，消除正反轉(zhuǎn)時(shí)固體繼電器同時(shí)導(dǎo)通的可能性，大大提高電子開(kāi)關(guān)的可靠性。

繼電器1的常閉觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)接繼電器2的電源，繼電器2的常閉觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)接繼電器1的電源，當(dāng)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)低電平到繼電器1，繼電器1通路，繼電器1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，繼電器2被鎖死。同理，繼電器2通路時(shí)，繼電器1被鎖死。在控制開(kāi)關(guān)主回路中串入極限位置保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)閥門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)至極限位置，保護(hù)開(kāi)關(guān)常閉點(diǎn)斷開(kāi)，硬性切斷控制開(kāi)關(guān)主回路，會(huì)迫使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，具有二次保護(hù)作用。該系統(tǒng)采用單片機(jī)輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的直接控制方式。由于驅(qū)動(dòng)電平的不同，電路分為弱電和強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)兩部分，兩者通過(guò)光耦隔離，伺服電機(jī)控制框圖如圖2所示。

2．4 CAN通信接口電路

CAN通信接口電路主要由獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線(xiàn)收發(fā)驅(qū)動(dòng)器82C250和高速光電耦合器6N137組成。微控制器AT89C51控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。CAN通信控制接口電路如圖3所示，SJA1000的AD0～AD7連接AT89C51的P0端口，圖中CS接AT89C51的P2．0。P2．0為0時(shí)，選中SJA1000，并通過(guò)片外寄存器地址對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫(xiě)操作。SJA1000的RD／E、WR、ALE／AS分別與AT89C51的對(duì)應(yīng)引腳相連，其INT接AT89C51的INT0，AT89C51采用中斷方式訪(fǎng)問(wèn)SJA1000。

為了增強(qiáng)CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過(guò)高速光耦6N137后再與82C250相連，這樣可以實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。但應(yīng)注意的是，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源5V和VCC-5V必須完全隔離。電源采用小功率的帶5 V隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊。82C250的引腳CANH和CANL通過(guò)1只5 Ω的電阻與CAN總線(xiàn)相連。該電阻具有限流保護(hù)作用，使82C250免受過(guò)流沖擊。為了消除總線(xiàn)上的高頻十?dāng)_和電磁輻射，在引腳CANH和CANL與地之間并聯(lián)2只30 pF的電容。在引腳CAN總線(xiàn)和地之間還接有防雷擊管，當(dāng)輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變十?dāng)_時(shí)，防雷擊管的放電具有一定的保護(hù)作用。82C250引腳Rs接有1只斜率電阻，可根據(jù)總線(xiàn)通信速度選擇系統(tǒng)的工作模式，該電阻大小一般為16～140 kΩ。

2．5 電源電路

整個(gè)CAN智能電動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)共使用3路電源：第1路主要是向微控制器控制電路、鍵盤(pán)顯示、雙口RAM及CAN控制等提供+5 V電壓；第2路是向CAN通信模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的光耦隔離提供+5 V電源；第3路是向電機(jī)控制電路繼電器提供+24 V電源。電源器件LD03－10B24和D240505S-2W將交流220 V電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制繼電器所需的+24 V電壓，又通過(guò)D240505S-2W將+24 V電壓轉(zhuǎn)換為第1路、第2路所需的+5 V電壓。

整個(gè)系統(tǒng)的電源由220 V交流電源提供，因?yàn)檫@是220 V驅(qū)動(dòng)的交流伺服電機(jī)，為了使整個(gè)電源輸入設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，可以將其余兩路的所需電源也由交流電源220 V轉(zhuǎn)換，這樣整個(gè)系統(tǒng)的直流電源則由DC-DC轉(zhuǎn)換電源模塊D240505S-2W提供。D240505S-2W的驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)0．5 A，完全能夠驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設(shè)計(jì)。基地式CAN總線(xiàn)智能電動(dòng)執(zhí)行器的軟件程序設(shè)計(jì)分為：通信端和控制端。采用模塊化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)更清晰，易于理解，同時(shí)便于調(diào)試、連接、修改和移植。該系統(tǒng)軟件主要分為電機(jī)控制及算法、鍵盤(pán)及顯示、CAN總線(xiàn)通信3部分。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程，這樣可以縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，而且易于維護(hù)系統(tǒng)軟件，提高可靠性。系統(tǒng)控制端程序流程如圖4所示。

電機(jī)控制及算法部分則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)和閥位反饋實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，考慮到執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的延遲，采用不完全微分PID算法。鍵盤(pán)及顯示模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及顯示功能。通信端通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通信。

系統(tǒng)為了具有較好的實(shí)時(shí)性，通信端接收信息采用中斷控制方式，通信端程序流程圖如圖5所示。其中CANBUS中斷接收子程序是根據(jù)SJA1000的中斷寄存器內(nèi)容做出相應(yīng)處理，如果是接收中斷，則將數(shù)據(jù)接收至MCU的內(nèi)部接收緩沖區(qū)并保存至ROM及雙口RAM。CANBUS發(fā)送子程序?qū)JA1000發(fā)送緩沖區(qū)中的內(nèi)容通過(guò)SJA1000發(fā)送給相應(yīng)的智能節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)論

基地式CAN總線(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)本地PID控制，減少了通訊次數(shù)，避免與控制設(shè)備通訊所發(fā)生的錯(cuò)誤，并且采用CAN總線(xiàn)技術(shù)使系統(tǒng)數(shù)據(jù)出錯(cuò)率降低，發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)在不影響其他節(jié)點(diǎn)的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉功能。經(jīng)測(cè)試表明，該CAN總線(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器控制精度高穩(wěn)定性、可靠性好，而且操作控制簡(jiǎn)單。

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