网络化电动执行器设计

 作 者： 温和­ 滕召胜 陈良柱 高云鹏
摘 要： 针对现有电动执行器的不足，提出并设计了一种网络化电动执行器，给出了基于MSP430F449单片机的网络化电动执行器的基本结构与工作原理，介绍了电机驱动控制电路、DDZ2 Ⅲ型信号接口、通信接口等硬件电路设计。网络化电动执行器通过现场总线实现远程通信与管理，采用基于Bang-Bang+Fuzzy控制的复合智能控制方法，提高了系统的实时性和可靠性，实际运行表明，网络化电动执行器运行稳定可靠，行程控制精度达到1‰。 
   电动执行器根据调节器输出的给定信号与调节阀位移反馈量之间的偏差驱动电机运行，通过变速及传动机构输出角位移或直线位移，实现对调节阀位置的自动控制，其原理如图1所示。

图1 电动执行器原理框图

    随着工业生产自动化水平的提高，传统电子式电动执行器在功能、精度、性价比等方面已难以满足实际应用需求。作者研制了以MSP430F449单片机为信息处理单元，具有现场总线通信、智能控制和网络化管理功能的新型网络化电动执行器，并开发了基于虚拟仪器的上位机系统和便携式控制器，提高了电动执行器的可操作性和可靠性。

    1 网络化电动执行器的构成

    如图2所示，网络化电动执行器系统主要包括网络化电动执行器、现场总线转换、便携式控制器和上位机系统等4部分。网络化电动执行器根据给定量与反馈量的偏差控制电机运行；现场总线转换是通过通信协议转换，实现RS-485总线与其它不同现场总线的转换连接，便于网络化电动执行器匹配各类型过程控制系统；便携式控制器是用于实现网络化电动执行器各项参数简便设定的设备，可以通过红外通信实现执行器各项参数快速设置；基于虚拟仪器技术的上位机系统是网络化电动执行器远程管理平台，可以通过RS-485总线实现电动执行器的操作和管理，并可以接入以太网实现远程控制。

图2 网络化电动执行器的构成

    2 电动执行器控制单元电路设计

    电动执行器控制单元的结构如图3所示，采用TI公司生产的MSP430F449单片机作为信息处理单元，该单片机含有8通道12位ADC（模数转换器，最大采样速率200kPs）和片内温度传感器，能够满足网络化电动执行器功能设计要求。网络化电动执行器通过RS-485总线与上位机系统通信，通过红外通信方式与便携式控制器通信。执行器可以直接与DDZ Ⅲ型设备连接，由单片机自带的ADC对调节器输出的DDZ-Ⅲ型信号（4～20mA或者1～5V直流信号）采样后进行处理。执行器利用单片机内嵌的温度传感器实现对控制电路单元实时温度测量，并采用12位的数字温度传感器（DS18B20）对电机温度进行实时测量；调节阀的位置反馈信号由安装在电机传动轴上的光电编码盘获得。

图3 网络化电动执行器结构框图

    单片机通过计算给定与反馈的偏差，按照预定的控制方法输出电机驱动信号，经光电隔离后驱动电机运行。为防止执行器越限损坏设备，网络化电动执行器安装了行程开关进行限位检测与保护。发生故障时，网络化电动执行器可切换到手动模式，通过手动操作控制电机运行。

    2.1 电机驱动电路

    网络化电动执行器必须具备正反运行功能，因此选用无触点的固态继电器作为单相电机正反转及起停控制器件。如图4所示，由逻辑门电路和达林顿驱动器（MC1413）组成正反转控制电路。MSP430F449单片机的输出端信号（X2，X4）经触发逻辑控制电路处理后，控制固态继电器的通断。

图4 单相电机驱动控制电路

    电路中非门（74HC04）和与门（74HC08）对信号进行互锁，防止正、反转信号同时导通。MC1413为反相驱动器，起到吸收电流的作用，当MC1413输出低电平时，控制固态继电器SSR导通，从而驱动电机运转。当X4输出高电平，X2输出低电平时，接通电机的正绕组，电机正转；当X2输出高电平，X4输出低电平时，接通电机的反绕组，电机反转；当X4，X2均输出高电平时或均输出低电平时，电路自锁，电机停转。

    M为电机绕组，R51，R52，C50，C51是吸收电路，RV是氧化锌压敏电阻，共同起到保护固态继电器的作用。对电机绕组加交流电源，测得电压U、电流I、频率f，电机绕组阻值R，根据式（1）可以计算出电容C53配置的理论值

    如某型号单相电机，测得其参数如下 U=228V，I=2.4～10.5A，f=50.2Hz，R=3.8Ω，计算得到C53取值35～150μF。当2个SSR中的任何一个关断时，关断SSR输出端的电压约为交流电源电压的2倍。因此在选用C53与SSR额定电压时，应大于电源电压的2倍，且换向时间也必须有30ms以上的延时，才能保证电机在频繁启动过程中电容C53与SSR不被击穿。

    2.2 DDZ-Ⅲ型信号输入输出通道

    DDZ-Ⅲ型的输出通道如图5所示，数模转换器采用的是双通道12位串行输入数模转换器DAC7822，MSP430F449单片机的I/O口P2.5与DAC7822的数据输入端LDAC相连，将通道选择端子A/B接低电平，选择通道A进行模数转换，由于DAC7822为电流输出型，电流输出脚I_out1A和I_out2A与运放U5C（LM324）相连可以获得电压输出。

    将DAC7822的参考电压端子VrefA接-10V时，经过运放U5C的转换，可以获得正电压输出。MSP430F449单片机向DAC7822输出的数据在409～2048间变化时，可以在V_out端获得1～5V电压信号输出。运放U7A，U7B和R73，R74，R75，R76，R77，R78，C77构成电压电流转换电路，将1～5V电压信号转换为4～20mA电流信号在I_out端输出，实现DDZ-III型信号的输出。

图5 DDZ2Ⅲ型信号输出通道

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    2.3 RS2485通信接口电路

    网络化电动执行器工况复杂，为了提高其可靠性，RS2485接口需要进行瞬态保护。如图6所示，本文设计的RS2585接口电路瞬态保护包括光电隔离和旁路保护2部分。

图6 RS2485通信电路

    光电隔离选用集成光耦器件PS5201（图6中U30，U31，U32），分别对MAX3485（图6中U33）芯片的收发控制端（RE，DE）、发送端DI和接收端R0进行光电隔离，将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层，保护RS2485接口，提高网络化电动执行器的可靠性。

    3 网络化电动执行器软件设计

    3.1 网络化电动执行器工作流程

    网络化电动执行器控制流程如图7所示。单片机初始化后，读取预设工作状态和参数，通过位置反馈传感器获得调节阀的位置反馈量。当执行器接入DCS系统时，给定量为直接数字给定方式；当执行器接入DDZ2Ⅲ型系统时，给定量为DDZ-Ⅲ型信号。单片机按给定量与位置反馈量的偏差进行智能控制，向电机驱动电路输出相应信号，驱动电机运行，并通过DDZ-Ⅲ信号输出通道或数字通信方式指示当前运行状态。运行过程中，单片机根据给定量及其变化率、反馈量及其变化率、系统温度、电机电流及变化率判断是否发生断信号故障和执行器堵转故障。发生异常情况时，电机停止运行并声光报警提示。

    3.2 网络化电动执行器的智能控制方法

    网络化电动执行器以内部包含有PWM控制输出功能的MSP430F449单片机为控制核心。MSP430F449根据给定量与位置反馈量的偏差进行智能控制，驱动电机运行。根据网络化电动执行器的特点，采用基于Bang-Bang+Fuzzy的智能控制方法，如式（2）所示

图7 网络化电动执行器控制流程

    当给定量与反馈量相距较大（即偏差|e|≥M）时，采用Bang-Bang控制；当给定量与反馈量相差减小至一定范围（即偏差|e|<M）时采用Fuzzy控制方法。

    模糊控制算法以给定与反馈之间的偏差e=U_i-U₀、偏差变化率Δe=e_n-e_n-1为输入变量，其中U_i为给定量，U₀为位置反馈量，e_n为当前时刻偏差，e_n-1为前一时刻的偏差；以电机驱动信号为输出变量。输入和输出采用5个等级，即{NB，NS，Z，PS，PB}（{负大，负小，零，正小，正大}），利用if。then。产生式模糊规则推理，得到相应的模糊控制量，经解模糊后输出系统的PWM控制量。根据经验所建立的控制规则表见表1。

表1 模糊控制规则表

    网络化电动执行器采用基于Bang-Bang+Fuzzy的智能控制方法进行行程动态调节，其行程基本误差0.5%～1%，死区在0.5%～5%之间连续可调。网络化电动执行器上位机可以采用工控机，通过RS2485转RS2232接口器件与网络化电动执行器实现一对多连接。上位机系统采用虚拟仪器技术开发，所有程序均采用LabView（图形化编程语言）实现[8]。基于虚拟仪器的上位机系统界面友好，操作简便、可靠。

    4 结束语

    随着嵌入式系统、智能控制技术的发展，网络化、智能化的电动执行器成为过程控制系统中不可或缺的组件。本文介绍了网络化电动执行器的基本结构和工作原理，给出了基于MSP430F449单片机的网络化电动执行器控制单元软、硬设计方法。

    网络化电动执行器可以适配不同功率、不同扭矩的电机，实际运行表明网络化电动执行器选择电机扭矩大于1000N•m时，执行器行程控制精度可达1‰；选择电机扭矩在300～1000N•m时，执行器行程控制精度可达0.5‰。网络化电动执行器已申请发明专利，自2006年5月在湖南维特科技发展公司投入使用以来，运行稳定，与国外同类产品相比，具有更高的性价比，受到了用户的好评。