智能控制器是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)極為重要的位置控制單元。

    本文介紹的智能控制器（PCU）具有如下特點(diǎn)：

    ①智能控制器設(shè)計(jì)為印刷線路板卡式結(jié)構(gòu)，設(shè)定鍵、操作按鈕、調(diào)節(jié)撥盤、顯示器等均安裝在一塊印板上，操作、調(diào)試、更換極為方便。

    ②在電機(jī)控制算法上采用比例+步進(jìn)控制方式，避免了超調(diào)、振蕩的發(fā)生，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電機(jī)不加電磁制動(dòng)器的情況下，也能達(dá)到精確的位置控制精度要求。

    ③功率部件采用性能可靠的固態(tài)繼發(fā)器件，保證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高低溫條件下的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

    ④具有自診斷、自動(dòng)掃描、故障報(bào)警、事故處理及正反作用切換以及與上位機(jī)通信等功能，極具實(shí)用性。

    1 工作原理

    智能控制器工作原理如圖1所示。智能控制器采用新型的高效單片CPU和外圍芯片組成智能化的位置控制單元，接收統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理及A/D轉(zhuǎn)換送至微處理機(jī)，微處理機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)送至顯示單元顯示調(diào)節(jié)結(jié)果，發(fā)出固態(tài)繼電器控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)。與此同時(shí)，位置信號(hào)自我反饋，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。此外，還可根據(jù)需要，將數(shù)據(jù)通過(guò)RS一485串行通信送至計(jì)算機(jī)。

    2 硬件設(shè)計(jì)

    智能控制器根據(jù)性能好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低的設(shè)計(jì)原則，其硬件設(shè)計(jì)采用了新型高效的單片CPU，外圍芯片均采用串口控制。具體選擇如下：

    ①CPU采用目前較為普遍應(yīng)用的MCS-51系列芯片AT89C52，使用其片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器編程，免去了使用外接EPROM時(shí)所需的較多的數(shù)據(jù)線、地址線等，從而增加了輸入、輸出端口。設(shè)計(jì)時(shí)，將鍵盤和功能選擇開(kāi)關(guān)直接連至CPU的P₀口，死區(qū)、延遲選擇開(kāi)關(guān)直接連至CPU的P₂口，余下的P₁、P₃口則用作各外圍芯片的串口控制及輸出等。這樣，單片機(jī)的各輸入、輸出端口得到了充分利用，線路簡(jiǎn)潔、總體結(jié)構(gòu)合理。

    ②A/D、D/A轉(zhuǎn)換器均采用串口控制的芯片。A/D轉(zhuǎn)換選用AD公司出品的、適用于低頻測(cè)量的AD7705。AD7705系列采用∑-△技術(shù)，具有實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼的良好性能，采樣速度快且雙通道輸入，分別采集輸入信號(hào)和位置反饋信號(hào)，能滿足實(shí)時(shí)控制的需要。電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換部分則采用高輸入阻抗、低功耗的10位D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615芯片。

    ③電壓基準(zhǔn)采用微功耗的LM285-2.5，其溫度漂移系數(shù)較低，工作溫度范圍為-20-+85℃ 。

    ④采用EEPROM25045（X5045P）芯片保存系統(tǒng)的工作參數(shù)等，保證系統(tǒng)通電后就能馬上投入工作，25045系串行接口，具非易失功能。

    ⑤本智能控制器采用MAX813L為系統(tǒng)的看門狗電路。當(dāng)系統(tǒng)受到外界強(qiáng)烈干擾、程序萬(wàn)一出錯(cuò)時(shí)，MAX813L芯片可使智能控制器的程序復(fù)位，保證其能長(zhǎng)期可靠地工作。

    ⑥在智能控制器的電源部分前端加上電源濾波器，并在主機(jī)電源等處加上足夠多的去耦電容，以提高智能控制器的抗干擾能力。

    ⑦采用光電耦合器件用于智能控制器主機(jī)電源與輸出電源間的隔離，提高了系統(tǒng)的可靠性。

    ⑧驅(qū)動(dòng)電機(jī)的固態(tài)繼電器經(jīng)精心篩選，其工作電壓、工作電流留有較大的余量，輸出端加接壓敏電阻，保證了輸出部分能長(zhǎng)期可靠工作。

    3 軟件設(shè)計(jì)

    3.1 總體設(shè)計(jì)

    智能控制器的設(shè)計(jì)軟件主要是由主程序、按鍵撥盤掃描子程序、自動(dòng)調(diào)試子程序、故障處理子程序、AD7705模/數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、運(yùn)算子程序、TLC5615數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出子程序、定時(shí)中斷子程序、數(shù)據(jù)保存子程序。手動(dòng)操作子程序等組成。主程序流程框圖如圖2所示。

    單片機(jī)通電后首行初始化。初始化完畢后，掃描鍵盤、撥盤等，根據(jù)其設(shè)定確定用戶所需的各項(xiàng)設(shè)置，如死區(qū)、延遲時(shí)間、滿度設(shè)置、故障處理方式、正反作用等，并將這些設(shè)置轉(zhuǎn)換成單片機(jī)程序處理所認(rèn)可的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。若有按鍵功能，則分別進(jìn)行判斷并作相應(yīng)動(dòng)作，如自動(dòng)調(diào)試、手動(dòng)操作、CH₁設(shè)置、CH₂設(shè)置等。

    按鍵掃描后，程序回到正常運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)兩路A/D信號(hào)的采樣，即4～20mA電流輸入信號(hào)和位置反饋信號(hào)按比例換算后，不斷進(jìn)行比較判斷，發(fā)出電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的動(dòng)作指令，同時(shí)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的LED燈予以運(yùn)行狀態(tài)指示。在比較判斷過(guò)程中，以比例+步進(jìn)的控制方式達(dá)到*終的控制目標(biāo)。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，也實(shí)時(shí)對(duì)外輸出4～20mA的位置反饋電流信號(hào)。

    在正常運(yùn)行過(guò)程中，若檢測(cè)到有故障，程序轉(zhuǎn)向故障處理，點(diǎn)亮故障報(bào)警指示燈并按故障狀態(tài)設(shè)置作出相應(yīng)動(dòng)作：執(zhí)行機(jī)構(gòu)全開(kāi)、全關(guān)或保持原位。若有CH₁設(shè)置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全開(kāi)、全關(guān)位置將根據(jù)其設(shè)定值來(lái)確定。

    3.2 電機(jī)控制設(shè)計(jì)

    在采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行單元的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器由于剎車失靈或不靈敏區(qū)太小容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。而克服振蕩的方法有三種：① 采用剎車裝置；②擴(kuò)大不靈敏區(qū)；③ 降低伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。目前剎車裝置不太可靠，且執(zhí)行器的剎車裝置系機(jī)械裝置，使用壽命短，調(diào)整困難，使用效果不太理想。而擴(kuò)大不靈敏區(qū)直接影響控制精度。降低伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速可直接減小惰走，但會(huì)增大執(zhí)行器全行程時(shí)間，降低執(zhí)行器調(diào)節(jié)速度，與調(diào)節(jié)系統(tǒng)的快速要求相矛盾。

    故在本設(shè)計(jì)中采用的為比例+步進(jìn)的控制方法：在運(yùn)行過(guò)程中設(shè)置了大小兩個(gè)死區(qū)（即不靈敏區(qū)），當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在大偏差時(shí)，即電流輸入信號(hào)和位置反饋信號(hào)兩者之間差值較大時(shí)，以正常的比例控制法快速動(dòng)作調(diào)節(jié)；若兩者之間的差值大于小死區(qū)而小于大死區(qū)，即進(jìn)入小偏差時(shí)，則改轉(zhuǎn)入步進(jìn)子程序，以慢速作精密的、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，直至執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到要求的位置（即偏差值達(dá)到小死區(qū)范圍以內(nèi)）。

    4 主要技術(shù)性能

    輸入信號(hào)：4～20mA，d.C.

    輸入阻抗：125Ω

    位置信號(hào)：4～20mA，d.C.   

    輸出負(fù)載電阻：0～500Ω

    輸出功率：220V，a.c.，5A（）

    死區(qū)選擇范圍：0.1%～7.5% ，可調(diào)

    延遲時(shí)間：0～4.5s可調(diào)

    具有自診斷、自動(dòng)調(diào)試、運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、事故處理和正反作用切換等功能

    故障狀態(tài)選擇：全開(kāi)、全關(guān)、保持原位

    通信接口：RS-485

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司