新型CAN智能電動執(zhí)行器的設(shè)計(圖)

　　控制器局部網(wǎng)CAN(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的一種，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，電動執(zhí)行器是電動單元組合儀表中一個很重要的執(zhí)行單元。它由控制電路和執(zhí)行機構(gòu)兩個在電路上完全獨立的部分組成，可接收來自調(diào)節(jié)器的電控信號，將其線性地轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)角或直線位移，用來操縱風(fēng)門、擋板、閥門等調(diào)節(jié)機構(gòu)，以實現(xiàn)自動控制。近年來，隨著微電子技術(shù)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電動執(zhí)行器也獲得了快速發(fā)展，特別是國外一些生產(chǎn)廠商在這幾年中相繼推出了常規(guī)的、帶現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能電動執(zhí)行器，而CAN智能電動執(zhí)行器就是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N。

　　本文介紹的CAN智能電動執(zhí)行器采用無刷直流電機控制，控制精度高，實現(xiàn)了數(shù)字化的閥位檢測，可提高閥位測量的精度和可靠性，能取代現(xiàn)行普遍采用的電位器和差動變壓器模擬測量方法。

　　控制電路的硬件設(shè)計

　　CAN智能電動執(zhí)行器的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 CAN智能電動執(zhí)行器的原理結(jié)構(gòu)圖

　　整個電路主要由五個部分組成：單片機P89C58為主的主機部分，由SJA1000、82C250、光電隔離電路等組成的CAN總線控制及接口部分，由無刷直流電機專用控制芯片MC33035組成的電機控制部分，閥門位置檢測部分和LCD液晶顯示部分。

　　1 CAN總線及接口部分

　　CAN總線控制及接口如圖2所示，主要包括獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137。

　　單片機P89C58首先對SJA1000進(jìn)行初始化，控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信任務(wù)。SJA1000的AD0～AD7連接到89C52的P0口，CS連接到89C52的P2.0口，其余的引腳分別對應(yīng)相連。

　　圖2 CAN總線及接口部分

　　為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是經(jīng)高速光耦6N137后再與82C250相連，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。82C250與CAN總線的接口也采用了一定的安全和抗干擾措施，它的CANH和CANL引腳與CAN總線之間各串聯(lián)一個5Ω的電阻，這樣可起到一定的限流作用，保護82C250免受過流的沖擊；還可以在CANH和CANL引腳上并聯(lián)小電容，起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。82C250的Rs腳上接有一個斜率電阻，電阻大小可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整，一般在16～140kΩ之間。

　　2 電機控制電路

　　該電動執(zhí)行器里電機控制芯片采用了安森美公司開發(fā)的高性能第二代單元無刷直流電機控制器MC33035。該控制器內(nèi)含可用于正確整流時序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，以及可對傳感器的溫度進(jìn)行補償?shù)膮⒖茧娖剑煌瑫r，還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調(diào)制器比較器、三個集電極開路頂端驅(qū)動輸出和三個非常適用于驅(qū)動功率MOSFET的大電流圖騰柱式底部輸出器。電機控制電路原理模塊如圖3所示。

　　圖3 電機控制電路原理模塊圖

　　該電機控制電路的功能包括PWM開環(huán)速度控制、使能控制和正反轉(zhuǎn)控制。電機的轉(zhuǎn)速控制是利用4-10位譯碼器/驅(qū)動器74LS145的功能，由單片機P89C58給出信號，通過分壓電路提供給引腳速度電壓來實現(xiàn)的。

　　電機的使能控制和正反轉(zhuǎn)控制信號也由單片機控制，發(fā)出電平信號給89C2051，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后輸出給MC33035相應(yīng)的管腳來控制電機的工作狀態(tài)。

　　3 閥門位置檢測電路和液晶顯示

　　為了實現(xiàn)閥位的數(shù)字化檢測，在A/D轉(zhuǎn)換電路中采用了ADI公司的16位∑-△(電荷平衡式)A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。AD7705包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑-△調(diào)制器及可編程數(shù)字濾波器等，能直接將來自傳感器的不同擺幅范圍內(nèi)的信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器滿標(biāo)度電壓附近，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了0.003%精度的非線性16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出；其增益和數(shù)據(jù)輸出更新速率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。通過外接高精密導(dǎo)電塑料電位器傳感器，由基準(zhǔn)電壓值分壓后所得電壓值即反映了閥門位置值。

　　系統(tǒng)采用TRULY公司生產(chǎn)的128×64點陣液晶，它的所有控制器、掃描電路和顯示RAM集成于液晶屏背面，并帶有LED背光。該模塊采用單電源供電，由大規(guī)模點陣式顯示控制器KS0107、液晶屏陣列驅(qū)動電路KS0108、顯示存儲器和液晶屏等4部分組成。

　　智能執(zhí)行器軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計主要包括三個方面：CAN總線通信模塊、電動執(zhí)行器的控制和LCD顯示。

　　CAN總線通信部分可將SJA1000初始化，在其初始化完成以后回到正常工作狀態(tài)，將執(zhí)行器的運行情況通過總線向上位機傳送，而且操作者可以從上位機下達(dá)控制指令來操作執(zhí)行器。

　　電動執(zhí)行器的控制部分主要實現(xiàn)閥門的位置控制功能，還可以通過控制電機的轉(zhuǎn)速來控制閥門的閉合速度。LCD顯示部分主要顯示閥門的閥位情況和執(zhí)行器的工作情況，還可以顯示上位機給執(zhí)行器發(fā)出的控制信號。

　　系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。