【正文】 ....................... 35 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 １ 頁(yè) 1 緒論 電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中的一個(gè)十分重要的現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置，其能源取得方便，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，在電力，冶金，石油，化工等工業(yè)部門(mén)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 I 頁(yè) 基于單片機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。 本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、功能完善、滿足控制精度的要求、抗干擾能力強(qiáng)、較高的靈活性和可靠性、通用性好、價(jià)格低，使用方便等特點(diǎn)。 目前，國(guó)內(nèi)流行的 DKJ 和 DKZ 系列具有以下幾大特點(diǎn)： ? 直接受計(jì)算機(jī)控制的智能電子型，戶(hù)外型，隔爆型等改進(jìn)型產(chǎn)品； ? 經(jīng)電路部分灌封在一個(gè)小型塑料盒中，即模塊，形成了便于維護(hù)的即插即用型。 國(guó)際上，電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)正朝著小型化，一體化，數(shù)字化，智能化，總線化和網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)在產(chǎn)品的品種、控制精度、工藝水平、可靠性、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面還有較大差距，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)十分匱乏。因此，本文是基于單片機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 當(dāng)單片機(jī)計(jì)算所得結(jié)果小于零且小于所設(shè)的值時(shí)，經(jīng)過(guò)功率放大模塊，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的反向控制?？煽毓鑴t是目前比較理想的交流開(kāi)關(guān)器件。此電動(dòng) 執(zhí)行系統(tǒng)主要是基于單片機(jī)的控制，所以利用單片機(jī)的編程來(lái)控制整個(gè)過(guò)程。 第三章主要給出了電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，在硬件設(shè)計(jì)上詳細(xì)的給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊、功率放大模塊、恒流源模塊，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作流 程有一定的了解。在這五章中，有文字描述還有圖形示意，都可使基于單片機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)清楚、明白、通俗、易懂。接下來(lái)給出了文章的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)此論文的內(nèi)容、思路有了更深一層的理解。 電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖 ]1[ ，如圖 所示 圖 電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖 在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，對(duì)參考輸入電壓或者電流模擬量、反饋模擬電壓量等值進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，然后傳入單片機(jī)中，在單片機(jī)中進(jìn)行邏輯分析計(jì)算 ]2[ ，當(dāng)計(jì)算所得值大于零且大于系統(tǒng)死區(qū)值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的控制信號(hào)；當(dāng)計(jì)算所得值小于零且小于系統(tǒng)死區(qū)值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的控制信號(hào)；當(dāng)計(jì)算所得值在死區(qū)值的正負(fù)之間時(shí)，單片機(jī)發(fā)出使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行的控制信號(hào) ]3[ 。 恒流源 80C196KC 固態(tài)繼電器 兩相伺服電動(dòng)機(jī) 減速機(jī)構(gòu) 輸出軸 位置傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ５ 頁(yè) 電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的控制器由 80C196KC 單片機(jī)和其內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器組成。 圖 電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 控制器的基本概念和定義 在與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電路中，涉及到幾個(gè)物理概念。當(dāng)反饋量小于開(kāi)度設(shè)定量時(shí)，電機(jī)正方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)反饋量大于開(kāi)度設(shè)定量時(shí)，電機(jī)向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；若反饋 量等于開(kāi)度設(shè)定量，則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 零點(diǎn)：是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)前的初始位置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同的運(yùn)行環(huán)境下，給定信號(hào)的量程都是相同的，但需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作范圍不一定相同，這樣要在具體的運(yùn)行環(huán)境中設(shè)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大動(dòng)作范圍，即行程。 能：通過(guò)讀取開(kāi)關(guān)狀態(tài)，選擇斷信號(hào)時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)處的位置，即處于原位、全開(kāi)或全關(guān)。 ：即將實(shí)際閥門(mén)位置以 4~20mA 電流信號(hào)的形式 反饋輸出。 執(zhí)行器主要是在控制器的控制下完成設(shè)定動(dòng)作的機(jī)械執(zhí)行部分。以上五個(gè)參數(shù)的運(yùn)算結(jié)果來(lái)確定伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。 其中： C、 D為常數(shù)； D*Lm反映了執(zhí)行機(jī)構(gòu)靈敏度的大小。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ８ 頁(yè) 3 基于 80C196KC單片機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的構(gòu)成 引言 電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)是通過(guò)傳感器采集輸出軸的位置信號(hào)，與系統(tǒng)給定信號(hào)比較得到控制信號(hào)，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)帶動(dòng)輸出軸達(dá)到要求的位置。待機(jī)方式和掉電方式，能進(jìn)一步降低功耗 ，80C196KC的狀態(tài)周期是由振蕩器信號(hào)經(jīng) 2分頻后獲得 。并給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)方便 。 80C196KC單片機(jī)由功能強(qiáng)大的 16位 CPU組成， CPU與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、各種 I／ 0功能部件有機(jī)地集成在同一硅片上。其晶振最高可達(dá) 20MHz； (10) 內(nèi)部為 2分頻電路，指令執(zhí)行速度快； (11)低功耗工作方式。以下主要介紹外部中斷、軟件定時(shí)器溢出中斷、定時(shí)器 2溢出中斷。=0x00FD； MASK│=0X80； ... (2)定時(shí)器溢出中 斷 在 80C196KC單片機(jī)內(nèi)部，定時(shí)器 T1和 T2占有重要地位，因?yàn)槠渌恍┉h(huán)節(jié)功能的遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 １０ 頁(yè) 發(fā)揮 ,均離不開(kāi) T1和他的支持。 單片機(jī)一旦上電 ， T1即開(kāi)始工作。 若單片機(jī)的晶振頻率選為 12MHZ，經(jīng)過(guò)片內(nèi) 2分頻處理后，可以得到狀態(tài)周期T(=)， 一般而言， T1的最長(zhǎng)時(shí)間如下： T1max=0FFFFH8T=655368= T1的當(dāng)前值可以從 0AH單元讀出，但只允許 1次讀出 16位，而不能 按字節(jié)分 2次讀出。 =1，允許 T1溢出中斷； =1，允許 T2產(chǎn)生中斷。 T2溢出中斷的屏蔽位是 INT—. 靠 2的捕捉功能，這也會(huì)產(chǎn)生一次溢出中斷。 T2也是 16位硬件定時(shí)器，水平窗口 0和水平窗口 15中的 0CH單元為其地址。當(dāng)前值的讀取方式以及定時(shí)范圍與 T1相同。 (2)T2的復(fù)位方式有外部復(fù)位、軟件復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位。 IOC3│=0x01。 打開(kāi)定時(shí)器溢出中斷 TIMER2=0XBB6A。通過(guò)對(duì) HSO_COMMAND寄存器的 D3~D0位進(jìn)行設(shè)置，可以指明軟件定時(shí)器的編號(hào)。 5)4個(gè)軟件定時(shí)器均可以產(chǎn)生中斷，若要弄清楚起因于那個(gè)定時(shí)器，可以查詢(xún) IOSO狀態(tài)寄存器的有關(guān)位。每經(jīng)歷一個(gè) T時(shí) 間， WDT的內(nèi)容增 1。 WDT一旦被啟動(dòng)，便開(kāi)始計(jì)數(shù)。在不超過(guò) 64K個(gè)狀態(tài)周期的某個(gè)位置上再安排 WDT清零指令，當(dāng)程序運(yùn)行到這個(gè)地方時(shí)， WDT又被清零并啟動(dòng)。 數(shù)據(jù)采集模塊 在此模塊中，輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器中有參考輸入 1~5V模擬電壓或者 4~20mA 模擬電流，有反饋電壓，有調(diào)零點(diǎn)的電壓，有調(diào)行程的 電壓，有調(diào)節(jié)靈敏度的電壓。 第三部分電路為調(diào)零點(diǎn)電路。 第四部分電路為調(diào)行程電路。此電路用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)度設(shè)定信號(hào)與位置反饋信號(hào)比較時(shí)認(rèn)為二者相等所允許的相對(duì)誤差。為此，應(yīng)引進(jìn)一偏差，即靈敏度。然后將五路8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)分別存入 80C196KC 單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，等待單片機(jī)發(fā)出指令，對(duì)其進(jìn)行邏輯運(yùn)算，進(jìn)而控制兩相伺服電動(dòng)機(jī)的正反方向的運(yùn)行和停止。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。 （ 2）分辨率： ADC 轉(zhuǎn)換器的量化精度，習(xí)慣用輸出二進(jìn)制位數(shù)來(lái)表示。雙積分轉(zhuǎn)換方法精度高、抗干擾能力強(qiáng)，速度也很慢 。 8 1模 擬 多 路轉(zhuǎn) 換 開(kāi) 關(guān)采 樣和 保 持 0 1 2 3 4 5 6 7ad_result_h逐 次 逼 近式 A / D轉(zhuǎn) 換 器控 制 邏 輯 0 1 2 3 4 5 6 7ad_result_l0 1 2 3ad_command模擬輸入V r e fA N G N D通 道 選 擇啟 動(dòng) 轉(zhuǎn) 換結(jié)果h s o _ c o m m a n d 圖 80C196KC內(nèi)部 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖 8 通道 A/D 轉(zhuǎn)換器其輸入引腳是與 ~ 共享的 ACH0~ACH7，其中 ACH7 可作外部中斷源用。因?yàn)?CPU 的晶振頻率較高 (16MHz)，所以不能象80C196KC 那樣只靠接入或不接入時(shí)鐘定標(biāo)器來(lái)確定采樣和轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，可以通過(guò)A/D 時(shí)間寄存器 AD_TIME 來(lái)確定，該寄存器的格式如圖 所示。 對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求控制周期盡可能短，所以如果采用通常所用的用定時(shí)器 1 進(jìn)行定時(shí)采樣的方法，程序?qū)?huì)復(fù)雜化。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，使用兩個(gè)光電耦合器與兩個(gè)可控硅組成功率放大電路，如圖 所示。下面將介紹固態(tài)繼電器的工作原理。 恒流源輸出模塊 此模塊由 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器和恒流源組成。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 １９ 頁(yè) D A C 0 8 3 2 轉(zhuǎn)換 器1 CS2 1WR3 A G N D4 3DI5 2DI6 1DI7 0DI8 RE FV9 FBR1 0 D G N D 1 1 1O U TI1 22OUTI1 3 7DI1 4 6DI1 5 5DI1 6 4DI1 7 X F ER1 8 2WR1 9 I L E2 0 V c c4 5 5 84 5 5 8+ 5 V+ 5 VV c cR 1 R 2R 3R 4R 5R 6R 7 R 8R 9R 1 0I o u tU 2U iU 1V T圖 恒流源輸出模塊 在此模塊中，其中一個(gè)組成部分為 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 由 WR XFER 的邏輯組合產(chǎn)生 LE2，當(dāng) LE2 為高電平時(shí)， DAC 寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化， LE2的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入 DAC寄存器并開(kāi)始 D/A轉(zhuǎn)換。D/A 轉(zhuǎn)換器由 8 位輸入鎖存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。另外本章還編寫(xiě)了器件在電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中所需要的程序，使本章的內(nèi)容更加完整。交流伺服電機(jī)多為兩項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)，在定子轉(zhuǎn)芯上嵌放著在空間上相距 90 電角度的兩相饒組，如圖 所示。它的機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，能經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件，如高溫、震動(dòng)和沖擊等。一個(gè)是激磁繞組，其首尾端分別為 j j2，接激磁電壓為 Uj；另一個(gè)是控制繞組，其首位端分別為遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ２３ 頁(yè) k k2，控制電壓為 Uk。電角度的兩相電流稱(chēng)為兩相對(duì)稱(chēng)電流。 （ 2）給一個(gè)特定的瞬間，如 t0、 t t2 等。 （ 4）根據(jù)電流的大小與方向并利用右手旋轉(zhuǎn)定則，繪制這一瞬間各繞組產(chǎn)生的磁遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ２４ 頁(yè) 勢(shì) F 的大小與方向，如：mjmK F2/2F F2/2F ?? F F F kkijit 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8j 1k 1j 2k 2t圖 兩相伺服電動(dòng)機(jī)波形示意圖 （ 5）求各相磁勢(shì)的方量和， mjk FFFF ??? ，這就得出了給定瞬間兩相繞組產(chǎn)生的合成磁勢(shì)的大小與方向。依 此類(lèi)推，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一對(duì)極，在氣隙中也轉(zhuǎn)了一圈。綜上所述，在兩相系統(tǒng)中，將兩相對(duì)稱(chēng)電流通入兩相對(duì)稱(chēng)繞組必產(chǎn)生一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 T m (s) 為 T m+ (s) 和 T m? (s) 的疊加，即單相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。然后將數(shù)據(jù)量傳入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ２７ 頁(yè) 單片機(jī)的綜合運(yùn)算之后，所得的 y 值傳進(jìn) DAC0832 轉(zhuǎn)換器中，既而將數(shù)值轉(zhuǎn)換成模值，傳入恒流源中，以表示閥門(mén)的的開(kāi)合程度。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ２８ 頁(yè) 6 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì) 本文研究 的 電動(dòng)執(zhí)行器，在應(yīng)用時(shí)必須能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行，否則將導(dǎo)致控制的誤差加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失，而它的工作環(huán)境往往又是比較惡劣和復(fù)雜的，所以要求本系統(tǒng)具有很高的可靠性和安全性，因此本系統(tǒng)力求做到既有較強(qiáng)的抗干擾能力，且使用的硬件資源盡量少。采用硬件抗干擾技術(shù) 。本 系統(tǒng)硬件抗干擾措施主要有 :掉電保護(hù)、濾波技術(shù)、去耦技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離 技術(shù)、及接地技術(shù)等。它對(duì)于要求電路板空間盡可能小的系遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ２９ 頁(yè) 統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常適用的，電路圖如圖 所示。此外 X25043 還具有 512*8 位串行 E2PROM，一使得本系統(tǒng)無(wú)須另外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM。要降低尖峰電流的影響，一種辦法就是在布線上采取措施，使雜散電容降至最小 :另一種辦法是設(shè)法降低供電電源的內(nèi)阻，使尖峰電流不致引起過(guò)大的電源