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一種智能型伺服放大器的設(shè)計(jì)
王金喜（山西大學(xué)工程學(xué)院，山西太原030013）
摘 要：介紹閥門控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的FCF-1智能伺服放大器的功能、構(gòu)成及電路原理，并對放大器的軟件框圖作了剖析，對使用的元器件電路性能也作了簡要介紹。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；電動(dòng)執(zhí)行器；位置反饋；A/D轉(zhuǎn)換
1 FCF-1伺服放大器基本功能
1）給定輸入：輸入來自計(jì)算機(jī)、調(diào)節(jié)器或手操器的給定信號（一般為4——20mA的直流電流）。2）閥位輸入：來自執(zhí)行器閥門開度的位置反饋信號（一般為4——20mA）。3）閥位增加輸出：使正轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器打開，伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)。4）閥位減小輸出：使反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器打開，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)。5）輸入斷路保護(hù)：當(dāng)給定輸入電流IN或位置反饋電流WF的值小于3mA或斷線時(shí)，面板上黃燈點(diǎn)亮報(bào)警，同時(shí)，系統(tǒng)切斷總電源并送出抱閘信號和報(bào)警接點(diǎn)信號。6）輸出短路保護(hù)：當(dāng)固態(tài)繼電器輸出發(fā)生故障短路時(shí)，紅燈點(diǎn)亮報(bào)警，系統(tǒng)切斷總電源并且送出抱閘信號。7）輸出開路保護(hù)：當(dāng)固態(tài)繼電器輸出發(fā)生故障開路時(shí)，綠燈閃爍報(bào)警。8）死區(qū)調(diào)整功能：如執(zhí)行器在平衡點(diǎn)振蕩，可將死區(qū)調(diào)大（比如將撥碼開關(guān)‘1’撥到‘ON’的位置時(shí)，‘2’、‘3’、‘4’為不變，則死區(qū)為滿量程的1.5%）。
2 基本構(gòu)成及電路原理
2.1 信號采集及運(yùn)算電路的構(gòu)成及原理
此部分電路包括單片機(jī)AT89C2051,多路模擬開關(guān)CD4051,A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804等（圖1）。
2.1.1 AT89C2051
它是一個(gè)封裝為DIP20的芯片，其內(nèi)部集成了8位CPU和2K的閃速存儲器；128字節(jié)的內(nèi)部RAM;15條可編程的I/O口線，2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。本放大器中共有兩片，一片用于數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算和控制，另一片用于系統(tǒng)保護(hù)和報(bào)警。
2.1.2 CD4051
單端8通道模擬多路開關(guān)。在本例中，僅X0、X1、X2三路切換，其余5路X3——X7不參加切換。二進(jìn)制控制輸入端也僅選A、B兩位，C接地，因此4051可譯出（00——11）4種狀態(tài)，由2051控制口的3.5、3.7控制。
允許輸入端INH端常接地，保持4051常通。
2.1.3 ADC0804
ADC0804片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，與微處理器兼容，單通道輸入，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs.典型接線如圖1所示，被轉(zhuǎn)換的電壓信號從Vin（+）和Vin（-）輸入，允許此信號是差動(dòng)的或不共地的電壓信號。模擬地和數(shù)字地分別設(shè)置引入端，使數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合造成的干擾。參考電壓可以由外部電路供給，從VREF/2端直接輸入。
ADC0804片內(nèi)有時(shí)鐘電路。只要在外部“CLK-R”和“CLK-IN”兩端外接一電阻電容即可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所要求的時(shí)鐘是片選端是控制芯片啟動(dòng)的輸入端是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端為轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出控制端，當(dāng)它與同時(shí)為低電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)鎖存器DB0——DB7各端上出現(xiàn)8位并行二進(jìn)制數(shù)碼，以表示A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。
2.1.4 作用原理
來自計(jì)算機(jī)、調(diào)節(jié)器或手操器的給定信號‘IN’從模擬開關(guān)4051的X1端輸入，來自電動(dòng)執(zhí)行器的位置反饋信號‘WF’從4051的X2輸入（見圖1），它們分別由4051的X端送到A/D轉(zhuǎn)換器0804的‘Vin’端腳，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)入2051的端口P1.0——P1.7,兩信號在CPU中相減，如IN-WF〉a（a為死區(qū)信號），則說明給定信號大于位反信號，表示閥門沒有開夠，由2051的1P3.2送出一高電平給反向驅(qū)動(dòng)器U1（7404）的輸入端；反之，如WF-IN〉a,則說明給定信號小于位反信號，表示閥門開過頭了，則由2051的1P3.3送出一高電平給反向驅(qū)動(dòng)器U2（7404）的輸入端；U1、U2的輸出端分別送出低電平K+或K-去控制下一級固態(tài)繼電器輸出電路G1或G2,送出一定功率的電流給電動(dòng)執(zhí)行器的伺服電機(jī)線圈，使其正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。
2.2 保護(hù)電路的構(gòu)成及原理
2.2.1 輸入斷路保護(hù)電路
圖2中，BG1、BG2、J0和黃燈組成了輸入斷路保護(hù)電路，其原理是，當(dāng)輸入4051的‘IN’及‘WF’信號因斷線或故障無信號時(shí)，在單片機(jī)2051-1的口線1P3.1送出低電平，此時(shí)BG1與BG2相繼導(dǎo)通，黃燈有電流流過而點(diǎn)亮報(bào)警。同時(shí)，中間繼電器J0得電而吸合。在J0-2的作用下，繼電器J1閉合，使輸出控制電路中的常閉觸點(diǎn)J1-2斷開，切斷正反轉(zhuǎn)回路的交流220V電源，伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)，并送出抱閘信號B,抑制閘門的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同時(shí)J0-1常開接點(diǎn)也閉合，現(xiàn)場報(bào)警。
2.2.2 固態(tài)繼電器輸出短路和開路保護(hù)電路
（1）固態(tài)繼電器輸出短路和輸出開路的判斷
由晶體管BG5、BG6等元件組成的電路為固態(tài)繼電器正向回路和反向回路的電流檢測電路，我們以正轉(zhuǎn)為例說明其原理。
圖2中，h1為正轉(zhuǎn)回路的互感器次級線圈，當(dāng)正轉(zhuǎn)回路有電流流過時(shí)，h1上將感應(yīng)出電壓，經(jīng)整流、濾波、放大、整形，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的低電平送給2051-2的2P3.0,它是‘0’有效信號。2051-1送來的1P3.2是‘1’有效的正轉(zhuǎn)信號，加至2P3.1.
2P3.0與2P3.1組合起來有幾種情況：
1》。00:表示固態(tài)繼電器正向回路有電流流過，而輸入無給定信號，說明固態(tài)繼電器短路。
2》。01:表示固態(tài)繼電器正向回路有電流流過，而輸入有給定信號，說明運(yùn)行正常。
3》。10:表示固態(tài)繼電器正向回路無電流流過，而輸入無給定信號，說明運(yùn)行正常。
4》。11:表示固態(tài)繼電器正向回路無電流流過，而輸入有給定信號，說明固態(tài)繼電器開路。
（2）固態(tài)繼電器輸出短路和輸出開路的保護(hù)
當(dāng)固態(tài)繼電器輸出短路時(shí)，2051-2的2P1.7輸出高電平，紅燈被點(diǎn)亮報(bào)警。同時(shí)，2P3.7輸出低電平，BG3、BG4相繼導(dǎo)通，J1得電，輸出控制電路中的J1-2常閉接點(diǎn)斷開，切斷固態(tài)繼電器回路的電源，伺服電機(jī)停轉(zhuǎn)。
當(dāng)固態(tài)繼電器輸出開路時(shí)，2051-2的2P1.6輸出高電平，U3輸出低電平，點(diǎn)亮綠燈報(bào)警。U3、U4均為反向驅(qū)動(dòng)器LS7404.
2.2.3 硬件復(fù)位與“看門狗”電路
本放大器選用軟硬件復(fù)位電路（上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、看門狗電路），使系統(tǒng)更加安全、可靠。
3 程序框圖
圖3所示為伺服放大器用于信號采集和保護(hù)系統(tǒng)的程序框圖。
3.1 信號采集程序框圖
信號采集程序應(yīng)用于2051-1.初始化是給2051-1的各端口及各寄存器設(shè)置一個(gè)初始狀態(tài)，例如P3.1=1,P3.2=0,P3.3=0,表示將P3口的此三位分別設(shè)為
高、低、低電平，這樣一開始不能有信號報(bào)警，也不能有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)信號輸出。CD4051多路開關(guān)的通道號由P3.5、P3.7選取，假如為‘00’，表示選中0號通道，同理，‘01’、‘10’、‘11’分別為1號、2號、3號通道。P3.0先“0”而后‘1’表示輸出一個(gè)正脈沖用以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換后來自0通道的8位二進(jìn)制數(shù)送到P1口，它是由我們設(shè)定的死區(qū)范圍值。不同的設(shè)定將改變變量a1、a2、a3的參數(shù)。通道號變?yōu)?時(shí)，P1口的值為X,它是伺放的給定信號，如X<48（電流值<3.7mA），說明信號可能是斷開的，這時(shí)，P3.1=0,給出開路報(bào)警信號。如X>48,說明信號正常，采集通道2的Y值，它即為位置反饋的值，同樣程序判斷其小于或大于48來轉(zhuǎn)到報(bào)警或下一步；以|X-Y|判斷給定與位反的差值，如小于設(shè)定的死區(qū)范圍，伺放將給出停機(jī)信號，只有|X-Y|>a,才判斷是X大還是Y大來決定正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。
3.2 保護(hù)程序框圖
保護(hù)程序加在2051-2上，初始化程序與上述相同。P3.0是正轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器有信號輸出的標(biāo)志，‘0’有效。P3.1來自2051-1的P3.2,是正轉(zhuǎn)信號，‘1’有效。程序中取P3.0與P3.1的值進(jìn)行判斷，假如它們都為‘1’，說明有正轉(zhuǎn)給定而無正轉(zhuǎn)輸出，顯然是輸出開路，P1.6=1,即給出開路報(bào)警信號。假如P3.0與P3.1都為‘0’，說明無正轉(zhuǎn)給定而有正轉(zhuǎn)輸出，顯然是輸出短路，P1.7=1輸出報(bào)警，同時(shí)，P3.7=0,啟動(dòng)保護(hù)繼電器動(dòng)作。P3.0與P3.1的值如果相異時(shí)，放大器運(yùn)行正常。
P3.2是反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器有信號輸出的標(biāo)志，‘0’有效。P3.3來自2051-1的P3.3,是反轉(zhuǎn)信號，‘1’有效。程序中取P3.3與P3.2的值進(jìn)行判斷，判斷的方法與動(dòng)作的結(jié)果與取P3.0與P3.1的值的情況相同。
參考文獻(xiàn)：
[1]魏立君，韓華琦。CMOS4000系列60種常用集成電路的應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，1995.
[2]潘新民。微型機(jī)過程控制接口技術(shù)[M].華中理工大學(xué)出版社，1986.
儀表技術(shù)
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