一种智能型伺服放大器的设计

　　摘  要：介绍阀门控制电动执行机构中的FCF－1智能伺服放大器的功能、构成及电路原理，并对放大器的软件框图作了剖析，对使用的元器件电路性能也作了简要介绍。

　　 关键词：单片机；电动执行器；位置反馈；A／D转换

1　FCF－1伺服放大器基本功能

　　1）给定输入：输入来自计算机、调节器或手操器的给定信号（一般为4～20mA的直流电流）。2）阀位输入：来自执行器阀门开度的位置反馈信号（一般为4～20mA）。3）阀位增加输出：使正转固态继电器打开，伺服电机正转。4）阀位减小输出：使反转固态继电器打开，伺服电机反转。5）输入断路保护：当给定输入电流IN或位置反馈电流WF的值小于3mA或断线时，面板上黄灯点亮报警，同时，系统切断总电源并送出抱闸信号和报警接点信号。6）输出短路保护：当固态继电器输出发生故障短路时，红灯点亮报警，系统切断总电源并且送出抱闸信号。7）输出开路保护：当固态继电器输出发生故障开路时，绿灯闪烁报警。8）死区调整功能：如执行器在平衡点振荡，可将死区调大（比如将拨码开关‘1’拨到‘ON’的位置时，‘2’、‘3’、‘4’为不变，则死区为满量程的1．5％）。

2　基本构成及电路原理

2．1　信号采集及运算电路的构成及原理
　　此部分电路包括单片机AT89C2051，多路模拟开关CD4051，A／D转换器ADC0804等（图1）。

2．1．1　AT89C2051
　  它是一个封装为DIP20的芯片，其内部集成了8位CPU和2K的闪速存储器；128字节的内部RAM；15条可编程的I／O口线，2个16位的定时器／计数器。本放大器中共有两片，一片用于数据采集、运算和控制，另一片用于系统保护和报警。
2．1．2　CD4051
　　单端8通道模拟多路开关。在本例中，仅X0、X1、X2三路切换，其余5路X3～X7不参加切换。二进制控制输入端也仅选A、B两位，C接地，因此4051可译出（00～11）4种状态，由2051控制口的3．5、3．7控制。
　　允许输入端INH端常接地，保持4051常通。
2．1．3　ADC0804
　　ADC0804片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，单通道输入，转换时间为100μs。典型接线如图1所示，被转换的电压信号从Vin（＋）和Vin（－）输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号。模拟地和数字地分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。参考电压可以由外部电路供给，从VREF／2端直接输入。
　　ADC0804片内有时钟电路。只要在外部“CLK－R”和“CLK－IN”两端外接一电阻电容即可产生A／D转换所要求的时钟是片选端是控制芯片启动的输入端是转换结束信号输出端为转换结果读出控制端，当它与同时为低电平时，输出数据锁存器DB0～DB7各端上出现8位并行二进制数码，以表示A／D转换的结果。
2．1．4　作用原理
　　来自计算机、调节器或手操器的给定信号‘IN’从模拟开关4051的X1端输入，来自电动执行器的位置反馈信号‘WF’从4051的X2输入（见图1），它们分别由4051的X端送到A／D转换器0804的‘Vin’端脚，经A／D转换为数字信号进入2051的端口P1．0～P1．7，两信号在CPU中相减，如IN－WF〉a（a为死区信号），则说明给定信号大于位反信号，表示阀门没有开够，由2051的1P3．2送出一高电平给反向驱动器U1（7404）的输入端；反之，如WF－IN〉a，则说明给定信号小于位反信号，表示阀门开过头了，则由2051的1P3．3送出一高电平给反向驱动器U2（7404）的输入端；U1、U2的输出端分别送出低电平K＋或K－去控制下一级固态继电器输出电路G1或G2，送出一定功率的电流给电动执行器的伺服电机线圈，使其正转或反转。

2．2　保护电路的构成及原理

2．2．1　输入断路保护电路
　　图2中，BG1、BG2、J0和黄灯组成了输入断路保护电路，其原理是，当输入4051的‘IN’及‘WF’信号因断线或故障无信号时，在单片机2051－1的口线1P3．1送出低电平，此时BG1与BG2相继导通，黄灯有电流流过而点亮报警。同时，中间继电器J0得电而吸合。在J0－2的作用下，继电器J1闭合，使输出控制电路中的常闭触点J1－2断开，切断正反转回路的交流220V电源，伺服电机停转，并送出抱闸信号B，抑制闸门的转动惯量。同时J0－1常开接点也闭合，现场报警。

2．2．2　固态继电器输出短路和开路保护电路
　　（1）固态继电器输出短路和输出开路的判断
　　由晶体管BG5、BG6等元件组成的电路为固态继电器正向回路和反向回路的电流检测电路，我们以正转为例说明其原理。
　　图2中，h1为正转回路的互感器次级线圈，当正转回路有电流流过时，h1上将感应出电压，经整流、滤波、放大、整形，一个标准的低电平送给2051－2的2P3．0，它是‘0’有效信号。2051－1送来的1P3．2是‘1’有效的正转信号，加至2P3．1。
2P3．0与2P3．1组合起来有几种情况：
　　1》．00：表示固态继电器正向回路有电流流过，而输入无给定信号，说明固态继电器短路。
　　2》．01：表示固态继电器正向回路有电流流过，而输入有给定信号，说明运行正常。
　　3》．10：表示固态继电器正向回路无电流流过，而输入无给定信号，说明运行正常。
　　4》．11：表示固态继电器正向回路无电流流过，而输入有给定信号，说明固态继电器开路。
　　（2）固态继电器输出短路和输出开路的保护
　　当固态继电器输出短路时，2051－2的2P1．7输出高电平，红灯被点亮报警。同时，2P3．7输出低电平，BG3、BG4相继导通，J1得电，输出控制电路中的J1－2常闭接点断开，切断固态继电器回路的电源，伺服电机停转。
　　当固态继电器输出开路时，2051－2的2P1．6输出高电平，U3输出低电平，点亮绿灯报警。U3、U4均为反向驱动器LS7404。
2．2．3　硬件复位与“看门狗”电路
　　本放大器选用软硬件复位电路（上电复位、手动复位、看门狗电路），使系统更加安全、可靠。

3　程序框图

　　图3所示为伺服放大器用于信号采集和保护系统的程序框图。

3．1　信号采集程序框图
　　信号采集程序应用于2051－1。初始化是给2051－1的各端口及各寄存器设置一个初始状态，例如P3．1＝1，P3．2＝0，P3．3＝0，表示将P3口的此三位分别设为
高、低、低电平，这样一开始不能有信号报警，也不能有正转、反转信号输出。CD4051多路开关的通道号由P3．5、P3．7选取，假如为‘00’，表示选中0号通道，同理，‘01’、‘10’、‘11’分别为1号、2号、3号通道。P3．0先“0”而后‘1’表示输出一个正脉冲用以启动A／D转换。A／D转换后来自0通道的8位二进制数送到P1口，它是由我们设定的死区范围值。不同的设定将改变变量a1、a2、a3的参数。通道号变为1时，P1口的值为X，它是伺放的给定信号，如X＜48（电流值＜3．7mA），说明信号可能是断开的，这时，P3．1＝0，给出开路报警信号。如X＞48，说明信号正常，采集通道2的Y值，它即为位置反馈的值，同样程序判断其小于或大于48来转到报警或下一步；以｜X－Y｜判断给定与位反的差值，如小于设定的死区范围，伺放将给出停机信号，只有｜X－Y｜＞a，才判断是X大还是Y大来决定正转还是反转。
3．2　保护程序框图
　　保护程序加在2051－2上，初始化程序与上述相同。P3．0是正转固态继电器有信号输出的标志，‘0’有效。P3．1来自2051－1的P3．2，是正转信号，‘1’有效。程序中取P3．0与P3．1的值进行判断，假如它们都为‘1’，说明有正转给定而无正转输出，显然是输出开路，P1．6＝1，即给出开路报警信号。假如P3．0与P3．1都为‘0’，说明无正转给定而有正转输出，显然是输出短路，P1．7＝1输出报警，同时，P3．7＝0，启动保护继电器动作。P3．0与P3．1的值如果相异时，放大器运行正常。
　　P3．2是反转固态继电器有信号输出的标志，‘0’有效。P3．3来自2051－1的P3．3，是反转信号，‘1’有效。程序中取P3．3与P3．2的值进行判断，判断的方法与动作的结果与取P3．0与P3．1的值的情况相同。