三相电动执行机构智能控制器的设计

    0 引言
    电动执行机构在工业自动化控制系统中起着非常重要的作用，随着微电子技术和传感器技术的发展，其智能化水平不断提高。通过在执行机构上安装附加传感器，由智能控制器在运行中连续检测系统运行参数，使得电动执行机构的自诊断成为可能。
    1 系统组成及工作原理
    一体化三相电动执行机构主要由智能控制器、三相电机、减速机构、位置传感器等部件组成。系统组成见图1。智能控制器接收DCS给定的标准4～20mADC模拟信号与位置传感器信号比较，构成闭环位置控制系统，驱动三相电机正转、反转或停，经减速机构最终控制阀门运行到指定开度。智能控制器同时把位置传感器信号转换为标准的4～20mADC信号反馈给DCS。智能控制器通过检测三相电机的温度、电流、电压、频率、相序和阀位等参数进行故障诊断和处理。

图1 系统组成

    2 硬件设计
    智能控制器采用具有8路12位A/D、2路12位D/A和4kB片内闪速/电擦除数据存储等功能的ADuC813单片机作为智能控制器的核心，减少器件数量，增强产品的可靠性；采用线性光耦SLC800对输入和输出隔离，增强抗干扰和与其他系统匹配的能力；采用电子式无触点三相电机正反转控制模块，提高执行机构的控制精度和可靠性；采用国产三相电能专用芯片ATT7028A检测三相电机的电压、电流、相序、功率等参数，简化设计，提高精度和可靠性。控制器的原理框图见图2。下面分别对硬件系统做具体简介。
    2.1 ADuC813功能简介
    为了满足通用性、经济性的设计要求，单片机应具备体积小、片内外设丰富、连接外围器件方便、能够在线调试等特点，为此选择了AD公司生产的ADuC813芯片作为智能控制器的微处理器。
    ADuC813是高度集成的高精度12位数据采集系统，它在单个芯片内包含了高性能的自校准8通道ADC，2通道12位DAC以及可编程的8位（与8051兼容）的MCU。片内提供非易失性62kB闪速/电可擦除程序存储器，4kB闪速/电可擦除数据存储器，2304B的RAM。另外还集成了有看门狗定时器、电源监视器等功能。为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O线、I2C兼容的SPI和标准UART串行端口。片内2.5VDC参考源和片内温度传感器。

图2 控制器原理框图

    2.2 输入输出隔离电路
    这部分电路的主要功能：其一是将4～20mA输入信号通过线性光电隔离放大器隔离后，转换成0.5～2.5V电压接MCU的A/D输入端；其二是将MCUD/A输出的0.5～2.5V位置反馈信号经线性光电隔离放大器隔离后，转换成4～20mA信号输出。
    与其他ADC芯片相比，ADuC813的ADC模块有个缺点，就是ADC正常工作的模拟输入范围为0～2.5V；而正常输入信号范围是0～+5VDC，需要经过内部转换，ADuC813才能正常转换。另外要特别注意，一旦输入信号反向，则会影响ADuC813正常工作，表现为ADC的基准电压（VREF=+2.5V）消失和采样结果不正确，且若长时间输入负电压，将可能损坏芯片。4～20mA输入信号接反就会使ADC输入负的模拟电压影响ADuC813工作，为了避免这种情况，在输入电路前端加了一个二极管桥路。使输入信号无论怎么接都不会产生负电压，保证了ADuC813的正常工作。
    2.3 三相电机正反转控制模块
    该模块采用电子式无触点固态继电器，输入与输出光电隔离，模块内部设置互锁，有效的防止同一时间内固态继电器的正反转开关同时导通。双色发光二极管显示三相电机的转向。其特点是可靠性高、寿命长。
    2.4 ATT7028A功能简介
    ATT7028A是高精度三相电能专用芯片，主要包括3部分：A/D转换部分、数字信号处理、通讯及其他。
    该芯片的A/D部分集成6路二阶梯A/D转换器，采用过样技术，6个通道可同步采样，采用双端差分信号输入方式分别针对三相电压、三相电流检测，各路的采样是16位模/数转换，经过片内运算电路的处理，得到24位的测量输出。
    数字信号处理部分对A/D转换后的数据先经过数字滤波器滤波，然后分别计算各相的有效值、有功功率、相位、功率因数、电能和合相的有功功率、电能、频率、功率因数等电力参数。同时还提供电阻网络校正和软件校正两种方式作误差校正。
    ATT7028A提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间数据传递，所有计量参数都可以通过SPI接口读出。另外片内还提供一个电源监控电路，用于检测工作电压。
    根据以上特点，采用ATT7028A用于智能控制器三相电机运行参数的检测，ADuC813通过SPI口实时读取电压、电流、频率、相序等参数进行故障诊断和控制。
    2.5 电压和电流的采样输入电路

图3 电压和电流的采样输入电路

    电机的电压、电流分别通过电压、电流互感器，采用差分方式输入给ATT7028A的电压通道和电流通道。输入最大的正弦信号有效值是1V。建议将电压通道Un对应到ADC的输入选在0.5V，电流通道Ib的ADC输入选在0.1V。电压和电流的前端输入通道电路如图3所示。
    2.6 按键和显示模块
    本电路由数码显示驱动和按键组成。可以通过数码显示和按键对输入信号零点、量程，反馈信号零点、量程，死区、正反作用、安全阀位、流量特性等参数设置。显示运行参数和诊断信息。方便了用户的使用和调试。
    2.7 外部看门狗自复位电路
    为了保证在强干扰下程序跑飞或进入死循环时，ADuC813能够自动恢复正常工作，选用IMP813LESA芯片作为ADuC813的外部看门狗自复位电路。一旦程序跑飞或进入死循环超过1.4秒，就会自动复位ADuC813，这样增强了智能控制器的可靠性和抗干扰能力。
    2.8 AC/DC电源电路
    电源为AC/DC稳压电源，共有三路，两路隔离的15V，主要用于线性光电隔离的前、后电路供电；一路5V主要用于MCU、显示电路、外部看门狗电路供电。在电源输入输出端增加了瞬态干扰抑制器TVS。TVS是一种高效能电路保护器件，当其受到瞬态干扰时，其阻值以1x10-12的速度骤然降低并接近零，吸收数千瓦的浪涌功率，而其两极间的电压被箝位在预定的电压值以内，从而保护了电路；这大大提高了电源的稳定性和可靠性。
    3 软件设计
    软件设计利用C语言编写，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于调试和维护。智能控制器的软件主要由系统初始化模块、数据采集及处理模块、故障自诊断及处理模块、DA输出模块、伺服控制及驱动模块、显示/按键处理等构成。控制软件流程图见图4。

图4 控制软件流程图

    4 可靠性设计与电磁兼容性设计
    产品的可靠性设计技术，指的是为了提高产品的可靠性，在设计上采取的一系列技术措施，例如元器件的降额设计、简化电路设计、热设计技术、冗余设计等，以便合理地选择元器件，设计电路系统，确定参数及结构形式。正确地进行产品的可靠性设计，是确保产品可靠性的前提，同时也更便于产品的生产和调试，使之达到规定的可靠性指标。在使用时，则能保证产品在允许的不同工作环境下可靠地工作。智能控制器在电路设计过程中，采用了多种可靠性设计技术，使之具有较高的可靠性水平。可靠性指标：MTBF≥25000h。
    另外，本产品在开发过程中还运用了电磁兼容性设计技术来提高智能控制器的抗干扰能力与工作稳定性。
    5 结束语
    本文基于ADuC813单片机和ATT7028A三相电能芯片设计了一款新型三相电动执行机构智能控制器。该控制器具有高度的自身保护及系统保护功能，可以对多种故障进行诊断，并就地处理。由于采用了电磁兼容性设计技术和可靠性设计技术，使智能控制器的抗干扰能力和可靠性大大提高；本产品已定型生产销售，在现场经过长期运行，性能稳定、可靠，使用效果非常好，证明总体设计是成功的，方法是得当的，现已投入批量生产。