分析智能型伺服放大器的設計

分析智能型伺服放大器的設計

　　摘要:介紹閥門控制電動執行機構中的FCF-1智能伺服放大器的功能、構成及電路原理,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。

　　關鍵詞:單片機;電動執行器;位置反饋;A/D轉換

　　1FCF-1伺服放大器基本功能

　　1)給定輸入:輸入來自計算機、調節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:使正轉固態繼電器打開,伺服電機正轉。4)閥位減小輸出:使反轉固態繼電器打開,伺服電機反轉。5)輸入斷路保護:當給定輸入電流IN或位置反饋電流WF的值小于3mA或斷線時,面板上黃燈點亮報警,同時,系統切斷總電源并送出抱閘信號和報警接點信號。6)輸出短路保護:當固態繼電器輸出發生故障短路時,紅燈點亮報警,系統切斷總電源并且送出抱閘信號。7)輸出開路保護:當固態繼電器輸出發生故障開路時,綠燈閃爍報警。8)死區調整功能:如執行器在平衡點振蕩,可將死區調大(比如將撥碼開關‘1’撥到‘ON’的位置時,‘2’、‘3’、‘4’為不變,則死區為滿量程的1.5%)。

　　2基本構成及電路原理

　　2.1信號采集及運算電路的構成及原理

　　此部分電路包括單片機AT89C2051,多路模擬開關CD4051,A/D轉換器ADC0804等(圖1)。

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　　2.1.1AT89C2051

　　它是一個封裝為DIP20的芯片,其內部集成了8位CPU和2K的閃速存儲器;128字節的內部RAM;15條可編程的I/O口線,2個16位的定時器/計數器。本放大器中共有兩片,一片用于數據采集、運算和控制,另一片用于系統保護和報警。

　　2.1.2CD4051

　　單端8通道模擬多路開關。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,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。

　　2.1.3ADC0804

　　ADC0804片內有三態數據輸出鎖存器,與微處理器兼容,單通道輸入,轉換時間為100μs。典型接線如圖1所示,被轉換的電壓信號從Vin(+)和 Vin(-)輸入,允許此信號是差動的或不共地的電壓信號。模擬地和數字地分別設置引入端,使數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片內有時鐘電路。只要在外部“CLK-R”和“CLK-IN”兩端外接一電阻電容即可產生A/D轉換所要求的時鐘是片選端是控制芯片啟動的輸入端是轉換結束信號輸出端為轉換結果讀出控制端,當它與同時為低電平時,輸出數據鎖存器DB0~DB7各端上出現8位并行二進制數碼,以表示A/D轉換的結果。

　　2.1.4作用原理

　　來自計算機、調節器或手操器的給定信號‘IN’從模擬開關4051的X1端輸入,來自電動執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轉換器0804的‘Vin’端腳,經A/D轉換為數字信號進入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動器 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動器 U2(7404)的輸入端;U1、U2的輸出端分別送出低電平K+或K-去控制下一級固態繼電器輸出電路G1或G2,送出一定功率的電流給電動執行器的伺服電機線圈,使其正轉或反轉。

　　2.2保護電路的構成及原理

　　2.2.1輸入斷路保護電路

　　圖2中,BG1、BG2、J0和黃燈組成了輸入斷路保護電路,其原理是,當輸入4051的‘IN’及‘WF’信號因斷線或故障無信號時,在單片機 2051-1的口線1P3.1送出低電平,此時BG1與BG2相繼導通,黃燈有電流流過而點亮報警。同時,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J1-2斷開,切斷正反轉回路的交流220V電源,伺服電機停轉,并送出抱閘信號B,抑制閘門的轉動慣量。同時J0-1常開接點也閉合,現場報警。

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　　2.2.2固態繼電器輸出短路和開路保護電路

　　(1)固態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繼電器正向回路和反向回路的電流檢測電路,我們以正轉為例說明其原理。

　　圖2中,h1為正轉回路的互感器次級線圈,當正轉回路有電流流過時,h1上將感應出電壓,經整流、濾波、放大、整形,一個標準的低電平送給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:表示固態繼電器正向回路有電流流過,而輸入無給定信號,說明固態繼電器短路。

　　2》.01:表示固態繼電器正向回路有電流流過,而輸入有給定信號,說明運行正常。

　　3》.10:表示固態繼電器正向回路無電流流過,而輸入無給定信號,說明運行正常。

　　4》.11:表示固態繼電器正向回路無電流流過,而輸入有給定信號,說明固態繼電器開路。

　　(2)固態繼電器輸出短路和輸出開路的保護

　　當固態繼電器輸出短路時,2051-2的2P1.7輸出高電平,紅燈被點亮報警。同時,2P3.7輸出低電平,BG3、BG4相繼導通,J1得電,輸出控制電路中的J1-2常閉接點斷開,切斷固態繼電器回路的電源,伺服電機停轉。

　　當固態繼電器輸出開路時,2051-2的2P1.6輸出高電平,U3輸出低電平,點亮綠燈報警。U3、U4均為反向驅動器LS7404。

　　2.2.3硬件復位與“看門狗”電路

　　本放大器選用軟硬件復位電路(上電復位、手動復位、看門狗電路),使系統更加安全、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系統的程序框圖。

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　　3.1信號采集程序框圖

　　信號采集程序應用于2051-1。初始化是給2051-1的各端口及各寄存器設置一個初始狀態,例如P3.1=1,P3.2=0,P3.3=0,表示將P3口的此三位分別設為

　　高、低、低電平,這樣一開始不能有信號報警,也不能有正轉、反轉信號輸出。CD4051多路開關的通道號由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’表示輸出一個正脈沖用以啟動A/D轉換。A /D轉換后來自0通道的8位二進制數送到P1口,它是由我們設定的死區范圍值。不同的設定將改變變量a1、a2、a3的參數。通道號變為1時,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,P3.1=0,給出開路報警信號。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來轉到報警或下一步;以|X-Y|判斷給定與位反的差值,如小于設定的死區范圍,伺放將給出停機信號,只有|X-Y|>a,才判斷是X大還是Y大來決定正轉還是反轉。

　　3.2保護程序框圖

　　保護程序加在2051-2上,初始化程序與上述相同。P3.0是正轉固態繼電器有信號輸出的標志,‘0’有效。P3.1來自2051-1的P3.2,是正轉信號,‘1’有效。程序中取P3.0與P3.1的值進行判斷,假如它們都為‘1’,說明有正轉給定而無正轉輸出,顯然是輸出開路,P1.6=1,即給出開路報警信號。假如P3.0與P3.1都為‘0’,說明無正轉給定而有正轉輸出,顯然是輸出短路,P1.7=1輸出報警,同時,P3.7=0,啟動保護繼電器動作。P3.0與P3.1的值如果相異時,放大器運行正常。

　　P3.2是反轉固態繼電器有信號輸出的標志,‘0’有效。P3.3來自2051-1的P3.3,是反轉信號,‘1’有效。程序中取P3.3與P3.2的值進行判斷,判斷的方法與動作的結果與取P3.0與P3.1的值的情況相同。

　　參考文獻:

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　　[2]潘新民.微型機過程控制接口技術[M].華中理工大學出版社,1986.

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