智能型電動執行器的設計與制作

無錫機電高等職業技術學校 李 慧

1.引言

1.1 電動執行器的發展

電動執行器，又稱電動執行機構、電裝、電動頭，是一種自動控制領域的常用機電一體化設備，是自動化儀表終端三大組成部分（檢測設備、調節設備和執行設備）中的執行設備，主要作用是對一些閥門、擋板等設備進行自動操作，控制其開關和調節，代替人工作業。

1.2 研究背景及意義

我國目前的電動執行器還以角行程、直行程和多轉式這些傳統的電動執行器為主，現有的執行器在使用時還會遇見各式各樣的問題，需要專業的技術員去鉆研改進，與國際水平相比還存在結構上簡單，功能弱、智能化程度低等缺點。目前上海沃電、溫州瑞基、溫州澳托克、英國rotork等產品在市場上均有很強的影響力，但市場上銷售的基本型電動執行器功能單一，而功能強大的執行器價格又很高，基于以上原因，本文討論設計一臺性價比高的智能電動執行器。

1.3 系統功能描述

本設計力求執行器在功能上齊全，在性能上穩定，在價格上便宜。

執行器具體功能：

(1)本地操作：本地點動操作；本地保持操作。

(2)遠方操作：遠方手動操作；遠方自動操作。

(3)液晶界面顯示：開度顯示；狀態顯示；報警顯示；菜單顯示。

(4)數據保存：將用戶設置后的數據存入單片機的EEPROM。

1.4 系統框圖

系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2.系統硬件電路設計

2.1 系統電源電路設計

本系統需要的電源主要有三種：

(1)+5V：用于CPU板卡供電

(2)+12V_D：用于換相繼電器

(3)+12V_A：用于4-20mA電流產生

要將380V交流電變為直流首先要變壓、整流、穩壓，所以電源部分就會包括變壓器、整流電路、穩壓電路這三個部分。

整流電路：可采取最通用最可靠的橋式整流。

穩壓電路：可使用ST公司的LM78XX系列三端穩壓芯片。

2.2 380V電源鑒相電路設計

鑒相電路目的是想判別輸入信號的相位差，將相位差轉換成不同的信號以便后級使用。根據這一原則，首先輸入信號要為方波，而本設計使用的380V正弦信號，所以第一步要做的就是將正弦信號轉為方波。由于系統控制器采用的是單片機，其供電為5V直流信號，需要鑒相的信號是380V高壓信號，為了避免在控制的時候收到高壓信號的干擾，在電路設計時還要考慮前后級之間的隔離。在鑒別相序的時候采取軟件來進行相序分析。本設計采用Atmega128單片機作為處理器，資源富裕完全有空間來完成鑒相功能，而且采取軟件處理可以減少硬件電路的設計調試，也可減小最后PCB的面積。

鑒相前級采樣電路由兩部分組成：正弦信號變換為方波，電源隔離。

2.3 紅外遙控發射電路設計

通用紅外遙控系統由發射和接收兩大部分組成。發射部分包括鍵盤、編碼調制、LED紅外發送器；接收部分包括LED紅外接收器、光電放大器、解調和解碼電路。

紅外遙控系統框圖如圖2所示。

圖2 紅外遙控系統框圖

2.4 交流電機控制電路設計交流電機控制電路如圖3所示。

圖3 交流電機控制電路

繼電器驅動電路：

繼電器驅動電路采取互鎖的形式，防止電路在換相的時候出現短路的狀況。繼電器線圈上要加蓄流二極管，否則線圈中的電不能及時的放干凈，在切換相序的時候也容易短路。二極管要選取開關速度快的肖特基二極管。繼電器選型只要滿足耐壓和蓄流能力就可以了。

2.5 顯示電路設計

液晶顯示采用O12864SGD14CFNE型號，此種液晶體積小，但也是128X64個顯示點，并且功耗低、驅動簡單。

2.6 4-20mA電流產生電路設計

目前最普遍使用的電流產生原理是電壓/電流轉換即V/I轉換，將輸入的電壓信號轉換為具有一定關系的電流信號，通過轉換的電流相當于一個輸出可調的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會隨負載的變化而變化。

針對本設計來說使用PWM占空比來控制4-20mA電流輸出，而且也減少了外圍電路的設計，增強了系統的穩定性。

2.7 保護電路設計

鑒于電源電路存在一些不穩定因素，用來防止此類不穩定因素影響電路效果的回路稱作保護電路。比如有過流保護、過壓保護、過熱保護、空載保護、短路保護等。

電機過流檢測設計采用電流互感器來檢測電流過載。在供電用電的線路中電流電壓相差懸殊。線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器的作用就是變流和電氣隔離。電流互感器原理其實就是電磁感應原理。

本電路使用的是380V交流電，所以用電流互感器來檢測較為安全，經過電流互感器將大電流變為小電流然后在變換為電壓，再送入單片機處理。

3.系統軟件的設計

3.1 系統總體流程圖

系統總體流程圖如圖4所示。

圖4 系統總流程圖

3.2 鑒相處理及電機控制

鑒相采集的原理其實很簡單，380V交流電已由外部硬件電路轉換為方波，單片機只需處理輸入兩路信號超前與滯后的關系就可以了，這里使用外部中斷來捕捉外部輸入的方波的信號。

電機控制包括正轉、反轉和停止，這里就需要換相和電源通電控制。

注意：一定要先進行換相然后再對電機通電，否則在電機動作的時候進行換相會發生短路的情況。

3.3 反饋及遠程信號處理

反饋信號主要是檢測電動執行器當前的運行狀態，其中包括閥門開度反饋、開關到位、過力矩檢測、過電流和過熱反饋。

過流檢測：通過互感器將電流變換為電壓然后通過A/D轉換后進行處理。

過熱檢測：通過熱敏電阻檢測，反饋回開關量。

過力矩檢測：通過外部限位開關讀取閥門過力矩信號，返回開關量。

開度采集：開度通過于轉動閥門連接的電位器反饋信號，由A/D轉換后送入單片機進行處理。

3.4 按鍵及紅外遙控器信號處理

按鍵主要是用于執行器本地操作和遠程切換操作，安裝在執行器的外殼上，主要實現本地點動和本地保持動作。

此處要注意的是按鍵消抖采用定時器延時來做，不要使用等待延時，可以提高單片機的運行速度。

紅外遙控器接收管連接到單片機的外部中斷，當有信號的時候進入中斷處理，可以提高遙控器的執行效率，處理的方法是將發送部分信號進行解碼，軟件處理是將發送的碼字破譯成二進制的0和1，由0和1組合成不同的字節即可破解遙控器按鍵。

3.5 液晶顯示驅動軟件設計

液晶顯示部分顯示的內容主要有三種，第一種是開度顯示，第二種是電動執行器狀態顯示，第三種的設置菜單顯示。

液晶驅動程序的液晶顯示部分的基礎，我們使用的液晶是不帶字庫的液晶，所以在使用的時候需要把要顯示的字用取模軟件轉換成字模。液晶驅動采用串行數據模式，這樣可以減少外部管腳的占用。

本設計已完成整機裝配，各個模塊運行正常。已完成電動執行器各項功能，性能良好。各個模塊采用的電路都很簡單，使用的元器件也都很普通，但完全實現了電動執行器該有的功能。由于采用的電路簡單使用的元器件便宜，所以大大降低了電動執行器的成本。

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