智能型电动执行器的设计与制作

无锡机电高等职业技术学校 李 慧

1.引言

1.1 电动执行器的发展

电动执行器，又称电动执行机构、电装、电动头，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备，是自动化仪表终端三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备，主要作用是对一些阀门、挡板等设备进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。

1.2 研究背景及意义

我国目前的电动执行器还以角行程、直行程和多转式这些传统的电动执行器为主，现有的执行器在使用时还会遇见各式各样的问题，需要专业的技术员去钻研改进，与国际水平相比还存在结构上简单，功能弱、智能化程度低等缺点。目前上海沃电、温州瑞基、温州澳托克、英国rotork等产品在市场上均有很强的影响力，但市场上销售的基本型电动执行器功能单一，而功能强大的执行器价格又很高，基于以上原因，本文讨论设计一台性价比高的智能电动执行器。

1.3 系统功能描述

本设计力求执行器在功能上齐全，在性能上稳定，在价格上便宜。

执行器具体功能：

(1)本地操作：本地点动操作；本地保持操作。

(2)远方操作：远方手动操作；远方自动操作。

(3)液晶界面显示：开度显示；状态显示；报警显示；菜单显示。

(4)数据保存：将用户设置后的数据存入单片机的EEPROM。

1.4 系统框图

系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2.系统硬件电路设计

2.1 系统电源电路设计

本系统需要的电源主要有三种：

(1)+5V：用于CPU板卡供电

(2)+12V_D：用于换相继电器

(3)+12V_A：用于4-20mA电流产生

要将380V交流电变为直流首先要变压、整流、稳压，所以电源部分就会包括变压器、整流电路、稳压电路这三个部分。

整流电路：可采取最通用最可靠的桥式整流。

稳压电路：可使用ST公司的LM78XX系列三端稳压芯片。

2.2 380V电源鉴相电路设计

鉴相电路目的是想判别输入信号的相位差，将相位差转换成不同的信号以便后级使用。根据这一原则，首先输入信号要为方波，而本设计使用的380V正弦信号，所以第一步要做的就是将正弦信号转为方波。由于系统控制器采用的是单片机，其供电为5V直流信号，需要鉴相的信号是380V高压信号，为了避免在控制的时候收到高压信号的干扰，在电路设计时还要考虑前后级之间的隔离。在鉴别相序的时候采取软件来进行相序分析。本设计采用Atmega128单片机作为处理器，资源富裕完全有空间来完成鉴相功能，而且采取软件处理可以减少硬件电路的设计调试，也可减小最后PCB的面积。

鉴相前级采样电路由两部分组成：正弦信号变换为方波，电源隔离。

2.3 红外遥控发射电路设计

通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。发射部分包括键盘、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括LED红外接收器、光电放大器、解调和解码电路。

红外遥控系统框图如图2所示。

图2 红外遥控系统框图

2.4 交流电机控制电路设计交流电机控制电路如图3所示。

图3 交流电机控制电路

继电器驱动电路：

继电器驱动电路采取互锁的形式，防止电路在换相的时候出现短路的状况。继电器线圈上要加蓄流二极管，否则线圈中的电不能及时的放干净，在切换相序的时候也容易短路。二极管要选取开关速度快的肖特基二极管。继电器选型只要满足耐压和蓄流能力就可以了。

2.5 显示电路设计

液晶显示采用O12864SGD14CFNE型号，此种液晶体积小，但也是128X64个显示点，并且功耗低、驱动简单。

2.6 4-20mA电流产生电路设计

目前最普遍使用的电流产生原理是电压/电流转换即V/I转换，将输入的电压信号转换为具有一定关系的电流信号，通过转换的电流相当于一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。

针对本设计来说使用PWM占空比来控制4-20mA电流输出，而且也减少了外围电路的设计，增强了系统的稳定性。

2.7 保护电路设计

鉴于电源电路存在一些不稳定因素，用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等。

电机过流检测设计采用电流互感器来检测电流过载。在供电用电的线路中电流电压相差悬殊。线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器的作用就是变流和电气隔离。电流互感器原理其实就是电磁感应原理。

本电路使用的是380V交流电，所以用电流互感器来检测较为安全，经过电流互感器将大电流变为小电流然后在变换为电压，再送入单片机处理。

3.系统软件的设计

3.1 系统总体流程图

系统总体流程图如图4所示。

图4 系统总流程图

3.2 鉴相处理及电机控制

鉴相采集的原理其实很简单，380V交流电已由外部硬件电路转换为方波，单片机只需处理输入两路信号超前与滞后的关系就可以了，这里使用外部中断来捕捉外部输入的方波的信号。

电机控制包括正转、反转和停止，这里就需要换相和电源通电控制。

注意：一定要先进行换相然后再对电机通电，否则在电机动作的时候进行换相会发生短路的情况。

3.3 反馈及远程信号处理

反馈信号主要是检测电动执行器当前的运行状态，其中包括阀门开度反馈、开关到位、过力矩检测、过电流和过热反馈。

过流检测：通过互感器将电流变换为电压然后通过A/D转换后进行处理。

过热检测：通过热敏电阻检测，反馈回开关量。

过力矩检测：通过外部限位开关读取阀门过力矩信号，返回开关量。

开度采集：开度通过于转动阀门连接的电位器反馈信号，由A/D转换后送入单片机进行处理。

3.4 按键及红外遥控器信号处理

按键主要是用于执行器本地操作和远程切换操作，安装在执行器的外壳上，主要实现本地点动和本地保持动作。

此处要注意的是按键消抖采用定时器延时来做，不要使用等待延时，可以提高单片机的运行速度。

红外遥控器接收管连接到单片机的外部中断，当有信号的时候进入中断处理，可以提高遥控器的执行效率，处理的方法是将发送部分信号进行解码，软件处理是将发送的码字破译成二进制的0和1，由0和1组合成不同的字节即可破解遥控器按键。

3.5 液晶显示驱动软件设计

液晶显示部分显示的内容主要有三种，第一种是开度显示，第二种是电动执行器状态显示，第三种的设置菜单显示。

液晶驱动程序的液晶显示部分的基础，我们使用的液晶是不带字库的液晶，所以在使用的时候需要把要显示的字用取模软件转换成字模。液晶驱动采用串行数据模式，这样可以减少外部管脚的占用。

本设计已完成整机装配，各个模块运行正常。已完成电动执行器各项功能，性能良好。各个模块采用的电路都很简单，使用的元器件也都很普通，但完全实现了电动执行器该有的功能。由于采用的电路简单使用的元器件便宜，所以大大降低了电动执行器的成本。

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