一種智能型伺服放大器的設(shè)計(jì)

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(duì)放大器的軟件框圖作了剖析，對(duì)使用的元器件電路性能也作了簡(jiǎn)要介紹。
    關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(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(lái)自計(jì)算機(jī)、調(diào)節(jié)器或手操器的給定信號(hào)（一般為4～20mA的直流電流）。2）閥位輸入：來(lái)自執(zhí)行器閥門開度的位置反饋信號(hào)（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(hào)和報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)。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(hào)。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(hào)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）。
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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(chǔ)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(hào)從Vin（＋）和Vin（－）輸入，允許此信號(hào)是差動(dòng)的或不共地的電壓信號(hào)。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(hào)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(hào)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(lái)自計(jì)算機(jī)、調(diào)節(jié)器或手操器的給定信號(hào)‘IN’從模擬開關(guān)4051的X1端輸入，來(lái)自電動(dòng)執(zhí)行器的位置反饋信號(hào)‘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(hào)進(jìn)入2051的端口P1．0～P1．7，兩信號(hào)在CPU中相減，如IN－WF〉a（a為死區(qū)信號(hào)），則說(shuō)明給定信號(hào)大于位反信號(hào)，表示閥門沒(méi)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(shuō)明給定信號(hào)小于位反信號(hào)，表示閥門開過(guò)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(jí)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(hào)因斷線或故障無(wú)信號(hào)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(guò)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(hào)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(chǎng)報(bào)警。
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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(cè)電路，我們以正轉(zhuǎn)為例說(shuō)明其原理。
　　圖2中，h1為正轉(zhuǎn)回路的互感器次級(jí)線圈，當(dāng)正轉(zhuǎn)回路有電流流過(guò)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(hào)。2051－1送來(lái)的1P3．2是‘1’有效的正轉(zhuǎn)信號(hào)，加至2P3．1。
2P3．0與2P3．1組合起來(lái)有幾種情況：
　　1》．00：表示固態(tài)繼電器正向回路有電流流過(guò)，而輸入無(wú)給定信號(hào)，說(shuō)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(guò)，而輸入有給定信號(hào)，說(shuō)明運(yùn)行正常。
　　3》．10：表示固態(tài)繼電器正向回路無(wú)電流流過(guò)，而輸入無(wú)給定信號(hào)，說(shuō)明運(yùn)行正常。
　　4》．11：表示固態(tài)繼電器正向回路無(wú)電流流過(guò)，而輸入有給定信號(hào)，說(shuō)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(hào)采集和保護(hù)系統(tǒng)的程序框圖。
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3．1　信號(hào)采集程序框圖
　　信號(hào)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(hào)報(bào)警，也不能有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出。CD4051多路開關(guān)的通道號(hào)由P3．5、P3．7選取，假如為‘00’，表示選中0號(hào)通道，同理，‘01’、‘10’、‘11’分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)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(lái)自0通道的8位二進(jìn)制數(shù)送到P1口，它是由我們?cè)O(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(hào)變?yōu)?時(shí)，P1口的值為X，它是伺放的給定信號(hào)，如X＜48（電流值＜3．7mA），說(shuō)明信號(hào)可能是斷開的，這時(shí)，P3．1＝0，給出開路報(bào)警信號(hào)。如X＞48，說(shuō)明信號(hào)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(lái)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(hào)，只有｜X－Y｜＞a，才判斷是X大還是Y大來(lái)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(hào)輸出的標(biāo)志，‘0’有效。P3．1來(lái)自2051－1的P3．2，是正轉(zhuǎn)信號(hào)，‘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(shuō)明有正轉(zhuǎn)給定而無(wú)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(hào)。假如P3．0與P3．1都為‘0’，說(shuō)明無(wú)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(hào)輸出的標(biāo)志，‘0’有效。P3．3來(lái)自2051－1的P3．3，是反轉(zhuǎn)信號(hào)，‘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)：

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儀表技術(shù) 
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