【導讀】電動執(zhí)行機構(gòu)廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，對閥門進行控制和調(diào)節(jié)。度對整個控制系統(tǒng)性能以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高起著非常重要的作用。本論文在分析了電動。80C196KC單片機、DAC0832轉(zhuǎn)換器、MOC3081M固態(tài)繼電器、可控硅等器件組成?？煽啃浴⑼ㄓ眯院?、價格低，使用方便等特點。

　　

【正文】 電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； Vcc：電源輸入端， Vcc 的范圍為 +5V～ +15V； 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２０ 頁 REFV ：基準電壓輸入線， REFV 的范圍為 10V～ +10V； AGND：模擬信號地 DGND：數(shù)字信號地 D A C 0 8 3 2 轉(zhuǎn) 換 器1 CS1WR23 A G N D3DI452DI61DI70DI8 R E FV9FBR1 0 D G N D2 0 V c c1 9 I L E1 82WRX F E R1 71 6 4DI1 51 41 31 21 15DI6DI7DI2OUTI1OUTI 圖 DAC0832轉(zhuǎn)換器管腳圖 DAC0832 是 8 分 辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個 D/A 芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。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。 DAC0832 的主要特性參數(shù)如下 ： 1. 分辨率為 8 位； 2. 電流穩(wěn)定時間 1us； 3. 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入； 4. 只需在滿量程下調(diào)整其線性度； 5. 單一電源供電（ +5V～ +15V）； 6 . 低功耗， 200mW。 DAC0832 的工作方式： 根據(jù)對 DAC0832 的數(shù)據(jù)鎖存器和 DAC 寄存 器的不同的控制方式， DAC0832 有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２１ 頁 本章小結(jié) 本章主要介紹了電動執(zhí)行系統(tǒng)的組成模塊以及組成模塊的器件的性質(zhì)及功能。另外本章還編寫了器件在電動執(zhí)行系統(tǒng)應用過程中所需要的程序，使本章的內(nèi)容更加完整。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２２ 頁 4 兩相交流伺服電動機 兩相交流電動機 兩相交流伺服電動機具有調(diào)速范圍廣，轉(zhuǎn)子的慣性小，控制的功率小等特點。在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件帶動控制對象。 鼠籠式伺服電動機的結(jié)構(gòu)特點 交 流伺服電分為兩大部分：定子與轉(zhuǎn)子（在定子與轉(zhuǎn)子之間留有隙）。交流伺服電機多為兩項異步電動機，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。其中的一相 j1—j2 稱為激磁繞組，簡稱為繞組 j，另一相 k1—k2 稱為控制繞組，簡稱為繞組 k。 鼠籠式轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)子繞組等組成。鼠籠式交流伺服電動機體積小，重量輕效率高。它的機械強度高，可靠性好，能經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件，如高溫、震動和沖擊等。鼠籠導條和端環(huán)采用高電阻率的電阻材料，如黃銅、青銅等，是為了能實現(xiàn)快停和防止自轉(zhuǎn)。 j 1j 2k 1 k 2 圖 兩相交流伺服電動機繞組示意圖 圓形旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 已知兩相伺服電動機在定子上有兩個繞組，它們在空間上互差 90176。角。一個是激磁繞組，其首尾端分別為 j j2，接激磁電壓為 Uj；另一個是控制繞組，其首位端分別為遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２３ 頁 k k2，控制電壓為 Uk。 j 1 j 2k 1k 2U jU k 圖 電動機繞組上電壓示意圖 有效匝數(shù)相等、在空間上互差 90176。電角度的兩個繞組稱為兩相對稱繞組。幅值相等、時間相位差 90176。電角度的兩相電流稱為兩相對稱電流。 其數(shù)學表 達式為： ik=Im*sin wt () ij=Im*sin (wt+90176。) () 其波形如圖 所示。 將兩相對稱電流通入兩相對稱繞組后產(chǎn)生的合成磁場情形如何？現(xiàn)在采用圖解法進行分析，其步驟如下： （ 1）畫出各項電流波形圖。 （ 2）給一個特定的瞬間，如 t0、 t t2 等。 （ 3）將電流的瞬時值按其大小與方向填入圖 的兩相繞組中，設 I 為正值時，電流是從繞組的首端（ k i1）流入，在首端導體中填入 ⊕ ；電流是從繞組的尾端（ ki2）流出，在尾端導體中填入電流是從繞組的首端（ k j1）流入，在首端導體中填 ⊙ 。當電流為負時，則從尾端流入，從首端流出。如果 t=t1 時， mjk I2/2ii ?? , 電流從k1 端流入，從 k2 端流出；從 j1 端流入，從 j2 端流出。 （ 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本科生畢業(yè)設計 第 ２４ 頁 勢 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 兩相伺服電動機波形示意圖 （ 5）求各相磁勢的方量和， mjk FFFF ??? ，這就得出了給定瞬間兩相繞組產(chǎn)生的合成磁勢的大小與方向。 （ 6）按 與 5 各項重復下去，依次給出若干特定的時間點，兩相繞組的合成磁勢在電機氣隙中的變化率就基本上呈現(xiàn)出來了，如圖 。 將電流的一個周期分成八等份，如 t0、 t t2……t 8 來觀察，將電流 ik、 ij 分別通入兩相繞組后，按右手螺旋定則判定由電流所產(chǎn)生的磁勢 F 的 方向。 在 t0 瞬間， mjmjk FFF,Ii,0i ???? ，方向朝左； 在 t1 瞬間， mjkmjk FFFF,I2/2ii ????? ； 在 t3 瞬間， mjKmjmk FFFF,I2/2i,I2/2i ????? ； 在 t4 瞬間， mjmjk FFF,Ii,0i ??????? ```````````````````````````````````````` ```````````````````````````````````````` 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２５ 頁 在 t4 瞬間，磁場又恢復到原始狀態(tài)。依 此類推，經(jīng)過一個周期，由電流產(chǎn)生的磁場是一對極，在氣隙中也轉(zhuǎn)了一圈?？梢?，由兩相電流在兩相繞組中產(chǎn)生的合成磁場隨時間的推移沿圓周不停的旋轉(zhuǎn)。這樣的磁場稱為旋轉(zhuǎn)磁場。由于合成磁勢的幅值不變，磁勢的矢量 F 的矢端軌跡呈圓形，故稱為圓形旋轉(zhuǎn)磁場。綜上所述，在兩相系統(tǒng)中，將兩相對稱電流通入兩相對稱繞組必產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。在一對磁極的條件下，當電流變化一個周期時，合成磁場也旋轉(zhuǎn)一圈 ]10[ 。 兩相交流伺服電動機的機械特性 單相異步電動機的機械特性如圖 ， 圖中 T m+(s) 為正轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關系。 T m? (s) 為反轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關系。 T m (s) 為 T m+ (s) 和 T m? (s) 的疊加，即單相異步電動機的機械特性。 S 為轉(zhuǎn)差率 ]11[ 。 nn 1 n 1T m = f ( s )T m = f ( s )0 T mT m + = f ( s ) 圖 兩相交流伺服電動機的機械特性 本章小結(jié) 本章介紹了兩相交流電動機的性質(zhì)以及使兩相伺服交流電動機執(zhí)行動動作所需要的程序。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２６ 頁 5 基于單片機的電動執(zhí)行系統(tǒng)的軟件設計 程序流程圖 開 始A / D 轉(zhuǎn) 換 器A / D 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束將 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束 后 得 到 的數(shù) 據(jù) 分 別 存 入 單 片 機的 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 中運 用 轉(zhuǎn) 換 來 的 數(shù)據(jù) 帶 入 相 應 的 計算 公 式 來 計 算電 動 機 停 止轉(zhuǎn) 動電 動 機 正 向轉(zhuǎn) 動電 動 機 反 向轉(zhuǎn) 動測 量 伺 服 電機 的 位 移 量所 得結(jié) 果在 已 計 算 完的 結(jié) 果之 間所 得結(jié) 果大 于 已 計 算 完 的 結(jié) 果所 得結(jié) 果小 于 已 計 算完 的 結(jié) 果 圖 程序流程圖 編程思路 通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量。然后將數(shù)據(jù)量傳入單片機，經(jīng)過遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２７ 頁 單片機的綜合運算之后，所得的 y 值傳進 DAC0832 轉(zhuǎn)換器中，既而將數(shù)值轉(zhuǎn)換成模值，傳入恒流源中，以表示閥門的的開合程度。經(jīng)過單片機的綜合運算之后，得到的信號傳入固態(tài)繼電器中，以驅(qū)動電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止轉(zhuǎn)動。最后將電動機的位移量傳入A/D 轉(zhuǎn)換器中，作為反饋量。 本章小結(jié) 本章介紹了電動執(zhí)行系統(tǒng)的流程圖和編程思路，使電動執(zhí)行 系統(tǒng)的設計更加完整。 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２８ 頁 6 系統(tǒng)的可靠性設計 本文研究 的 電動執(zhí)行器，在應用時必須能夠長期、穩(wěn)定地運行，否則將導致控制的誤差加大，嚴重時會使系統(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)力求做到既有較強的抗干擾能力，且使用的硬件資源盡量少。 影響系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電磁干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、元器件選擇、安裝、制造工藝和外部環(huán)境條件等。主要表現(xiàn)在 :數(shù)據(jù)采集誤差加大 、控制狀態(tài)失靈、數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化、程序運行失常等。針對這些，系統(tǒng)的可靠性設計主要包括 :精心選擇元器件，即選擇集成化程度高、抗干擾能力強、功耗又小的電子器件 。采用硬件抗干擾技術 。采用軟件抗干擾技術等。 硬件抗干擾技術是設計系統(tǒng)時首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻 斷干擾傳輸通道?？梢哉f采用硬件抗干擾措施能夠抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。本 系統(tǒng)硬件抗干擾措施主要有 :掉電保護、濾波技術、去耦技術、屏蔽技術、隔離 技術、及接地技術等。 掉電保護電路 P 1 . 3P 1 . 2H S O . 2P 2 . 7/ R E S E TS O V C CS IS C K/ C S/ R E S E TV S S / W PV C CX 2 5 0 4 38 0 C 1 9 6 K C 圖 X25043掉電保護電路圖 本系統(tǒng)所用電源都是弱電，直接采用開關電源模塊。為提高系統(tǒng)的可靠性，我們采用 MAXIM 公司的 X25043 實現(xiàn)系統(tǒng)的掉電保護。 X25043 將三種常用的功能 :看門狗定時器，電壓監(jiān)控和 E2PROM 組合在單個封裝內(nèi)。它對于要求電路板空間盡可能小的系遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第 ２９ 頁 統(tǒng)來說是非常適用的，電路圖如圖 所示。 X25043 的看門狗定時器對微控制器 80C196KC 提供了獨立的保護系統(tǒng)，可選超時周期有 : 秒， 600 毫秒， 200 毫秒，也可禁用。當系統(tǒng)故障時，在超出所選的超時周期以后， X25043 看門狗將以 /RESET 信號作出反應，使系統(tǒng)復位。利用 X25043 低 VCC檢測電路，可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓情況的影響，當 VCC降到最小 VCC檢測電平時，/RESET 變?yōu)榈碗娖剑瑢⑾到y(tǒng)復位， /RESET 引腳保持低電平直至 VCC上升到最小 VCC檢測電平 200ms 為止。此外 X25043 還具有 512*8 位串行 E2PROM，一使得本系統(tǒng)無須另外擴展數(shù)據(jù)存儲器 RAM。 數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和 供用電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴重的干擾。為抑制這種干擾，在電路中適當配置去耦電容，即去耦電路。 由于微處理器或單片機的總線上的信息變化幾乎是同時的，所產(chǎn)生的尖峰電流對系統(tǒng)的影響將是不容忽視的。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 :另一種辦法是設法降低供電電源的內(nèi)阻，使尖峰電流不致引起過大的電源電壓波動。本系統(tǒng)的電源是定制的開關電源模塊，因此只能采用第一種辦法，即在每一個集成電路芯片的電源線端和地線端加接一電容，也就是去耦電容。 去耦電容一方面提供和吸收該集成電路開門關 門瞬間的充放電能量，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。去耦電容的選用并不嚴格，可按