網絡化電動執(zhí)行器設計
針對現(xiàn)有電動執(zhí)行器的不足，提出并設計了一種網絡化電動執(zhí)行器，給出了基于MSP430F449單片機的網絡化電動執(zhí)行器的基本結構與工作原理，介紹了電機驅動控制電路、DDZ2 Ⅲ型信號接口、通信接口等硬件電路設計。網絡化電動執(zhí)行器通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)遠程通信與管理，采用基于Bang-Bang+Fuzzy控制的復合智能控制方法，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，實際運行表明，網絡化電動執(zhí)行器運行穩(wěn)定可靠，行程控制精度達到1‰。
電動執(zhí)行器根據(jù)調節(jié)器輸出的給定信號與調節(jié)閥位移反饋量之間的偏差驅動電機運行，通過變速及傳動機構輸出角位移或直線位移，實現(xiàn)對調節(jié)閥位置的自動控制，其原理如圖1所示。
圖1 電動執(zhí)行器原理框圖
隨著工業(yè)生產自動化水平的提高，傳統(tǒng)電子式電動執(zhí)行器在功能、精度、性價比等方面已難以滿足實際應用需求。作者研制了以MSP430F449單片機為信息處理單元，具有現(xiàn)場總線通信、智能控制和網絡化管理功能的新型網絡化電動執(zhí)行器，并開發(fā)了基于虛擬儀器的上位機系統(tǒng)和便攜式控制器，提高了電動執(zhí)行器的可操作性和可靠性。
1 網絡化電動執(zhí)行器的構成
如圖2所示，網絡化電動執(zhí)行器系統(tǒng)主要包括網絡化電動執(zhí)行器、現(xiàn)場總線轉換、便攜式控制器和上位機系統(tǒng)等4部分。網絡化電動執(zhí)行器根據(jù)給定量與反饋量的偏差控制電機運行；現(xiàn)場總線轉換是通過通信協(xié)議轉換，實現(xiàn)RS-485總線與其它不同現(xiàn)場總線的轉換連接，便于網絡化電動執(zhí)行器匹配各類型過程控制系統(tǒng)；便攜式控制器是用于實現(xiàn)網絡化電動執(zhí)行器各項參數(shù)簡便設定的設備，可以通過紅外通信實現(xiàn)執(zhí)行器各項參數(shù)快速設置；基于虛擬儀器技術的上位機系統(tǒng)是網絡化電動執(zhí)行器遠程管理平臺，可以通過RS-485總線實現(xiàn)電動執(zhí)行器的操作和管理，并可以接入以太網實現(xiàn)遠程控制。
圖2 網絡化電動執(zhí)行器的構成
2 電動執(zhí)行器控制單元電路設計
電動執(zhí)行器控制單元的結構如圖3所示，采用TI公司生產的MSP430F449單片機作為信息處理單元，該單片機含有8通道12位ADC（模數(shù)轉換器，*大采樣速率200kPs）和片內溫度傳感器，能夠滿足網絡化電動執(zhí)行器功能設計要求。網絡化電動執(zhí)行器通過RS-485總線與上位機系統(tǒng)通信，通過紅外通信方式與便攜式控制器通信。執(zhí)行器可以直接與DDZ Ⅲ型設備連接，由單片機自帶的ADC對調節(jié)器輸出的DDZ-Ⅲ型信號（4～20mA或者1～5V直流信號）采樣后進行處理。執(zhí)行器利用單片機內嵌的溫度傳感器實現(xiàn)對控制電路單元實時溫度測量，并采用12位的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）對電機溫度進行實時測量；調節(jié)閥的位置反饋信號由安裝在電機傳動軸上的光電編碼盤獲得。
圖3 網絡化電動執(zhí)行器結構框圖
單片機通過計算給定與反饋的偏差，按照預定的控制方法輸出電機驅動信號，經光電隔離后驅動電機運行。為防止執(zhí)行器越限損壞設備，網絡化電動執(zhí)行器安裝了行程開關進行限位檢測與保護。發(fā)生故障時，網絡化電動執(zhí)行器可切換到手動模式，通過手動操作控制電機運行。
2.1 電機驅動電路
網絡化電動執(zhí)行器必須具備正反運行功能，因此選用無觸點的固態(tài)繼電器作為單相電機正反轉及起停控制器件。如圖4所示，由邏輯門電路和達林頓驅動器（MC1413）組成正反轉控制電路。MSP430F449單片機的輸出端信號（X2，X4）經觸發(fā)邏輯控制電路處理后，控制固態(tài)繼電器的通斷。
圖4 單相電機驅動控制電路
電路中非門（74HC04）和與門（74HC08）對信號進行互鎖，防止正、反轉信號同時導通。MC1413為反相驅動器，起到吸收電流的作用，當MC1413輸出低電平時，控制固態(tài)繼電器SSR導通，從而驅動電機運轉。當X4輸出高電平，X2輸出低電平時，接通電機的正繞組，電機正轉；當X2輸出高電平，X4輸出低電平時，接通電機的反繞組，電機反轉；當X4，X2均輸出高電平時或均輸出低電平時，電路自鎖，電機停轉。
M為電機繞組，R51，R52，C50，C51是吸收電路，RV是氧化鋅壓敏電阻，共同起到保護固態(tài)繼電器的作用。對電機繞組加交流電源，測得電壓U、電流I、頻率f，電機繞組阻值R，根據(jù)式（1）可以計算出電容C53配置的理論值
針對現(xiàn)有電動執(zhí)行器的不足，提出并設計了一種網絡化電動執(zhí)行器，給出了基于MSP430F449單片機的網絡化電動執(zhí)行器的基本結構與工作原理，介紹了電機驅動控制電路、DDZ2 Ⅲ型信號接口、通信接口等硬件電路設計。網絡化電動執(zhí)行器通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)遠程通信與管理，采用基于Bang-Bang+Fuzzy控制的復合智能控制方法，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，實際運行表明，網絡化電動執(zhí)行器運行穩(wěn)定可靠，行程控制精度達到1‰。
電動執(zhí)行器根據(jù)調節(jié)器輸出的給定信號與調節(jié)閥位移反饋量之間的偏差驅動電機運行，通過變速及傳動機構輸出角位移或直線位移，實現(xiàn)對調節(jié)閥位置的自動控制，其原理如圖1所示。
圖1 電動執(zhí)行器原理框圖
隨著工業(yè)生產自動化水平的提高，傳統(tǒng)電子式電動執(zhí)行器在功能、精度、性價比等方面已難以滿足實際應用需求。作者研制了以MSP430F449單片機為信息處理單元，具有現(xiàn)場總線通信、智能控制和網絡化管理功能的新型網絡化電動執(zhí)行器，并開發(fā)了基于虛擬儀器的上位機系統(tǒng)和便攜式控制器，提高了電動執(zhí)行器的可操作性和可靠性。
1 網絡化電動執(zhí)行器的構成
如圖2所示，網絡化電動執(zhí)行器系統(tǒng)主要包括網絡化電動執(zhí)行器、現(xiàn)場總線轉換、便攜式控制器和上位機系統(tǒng)等4部分。網絡化電動執(zhí)行器根據(jù)給定量與反饋量的偏差控制電機運行；現(xiàn)場總線轉換是通過通信協(xié)議轉換，實現(xiàn)RS-485總線與其它不同現(xiàn)場總線的轉換連接，便于網絡化電動執(zhí)行器匹配各類型過程控制系統(tǒng)；便攜式控制器是用于實現(xiàn)網絡化電動執(zhí)行器各項參數(shù)簡便設定的設備，可以通過紅外通信實現(xiàn)執(zhí)行器各項參數(shù)快速設置；基于虛擬儀器技術的上位機系統(tǒng)是網絡化電動執(zhí)行器遠程管理平臺，可以通過RS-485總線實現(xiàn)電動執(zhí)行器的操作和管理，并可以接入以太網實現(xiàn)遠程控制。
圖2 網絡化電動執(zhí)行器的構成
2 電動執(zhí)行器控制單元電路設計
電動執(zhí)行器控制單元的結構如圖3所示，采用TI公司生產的MSP430F449單片機作為信息處理單元，該單片機含有8通道12位ADC（模數(shù)轉換器，*大采樣速率200kPs）和片內溫度傳感器，能夠滿足網絡化電動執(zhí)行器功能設計要求。網絡化電動執(zhí)行器通過RS-485總線與上位機系統(tǒng)通信，通過紅外通信方式與便攜式控制器通信。執(zhí)行器可以直接與DDZ Ⅲ型設備連接，由單片機自帶的ADC對調節(jié)器輸出的DDZ-Ⅲ型信號（4～20mA或者1～5V直流信號）采樣后進行處理。執(zhí)行器利用單片機內嵌的溫度傳感器實現(xiàn)對控制電路單元實時溫度測量，并采用12位的數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）對電機溫度進行實時測量；調節(jié)閥的位置反饋信號由安裝在電機傳動軸上的光電編碼盤獲得。
圖3 網絡化電動執(zhí)行器結構框圖
單片機通過計算給定與反饋的偏差，按照預定的控制方法輸出電機驅動信號，經光電隔離后驅動電機運行。為防止執(zhí)行器越限損壞設備，網絡化電動執(zhí)行器安裝了行程開關進行限位檢測與保護。發(fā)生故障時，網絡化電動執(zhí)行器可切換到手動模式，通過手動操作控制電機運行。
2.1 電機驅動電路
網絡化電動執(zhí)行器必須具備正反運行功能，因此選用無觸點的固態(tài)繼電器作為單相電機正反轉及起停控制器件。如圖4所示，由邏輯門電路和達林頓驅動器（MC1413）組成正反轉控制電路。MSP430F449單片機的輸出端信號（X2，X4）經觸發(fā)邏輯控制電路處理后，控制固態(tài)繼電器的通斷。
圖4 單相電機驅動控制電路
電路中非門（74HC04）和與門（74HC08）對信號進行互鎖，防止正、反轉信號同時導通。MC1413為反相驅動器，起到吸收電流的作用，當MC1413輸出低電平時，控制固態(tài)繼電器SSR導通，從而驅動電機運轉。當X4輸出高電平，X2輸出低電平時，接通電機的正繞組，電機正轉；當X2輸出高電平，X4輸出低電平時，接通電機的反繞組，電機反轉；當X4，X2均輸出高電平時或均輸出低電平時，電路自鎖，電機停轉。
M為電機繞組，R51，R52，C50，C51是吸收電路，RV是氧化鋅壓敏電阻，共同起到保護固態(tài)繼電器的作用。對電機繞組加交流電源，測得電壓U、電流I、頻率f，電機繞組阻值R，根據(jù)式（1）可以計算出電容C53配置的理論值
公安機關備案號：
