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分析智能型伺服放大器的設計
摘要:介紹閥門(mén)控制電動(dòng)執行機構中的FCF-1智能伺服放大器的功能、構成及電路原理,并對放大器的軟件框圖作了剖析,對使用的元器件電路性能也作了簡(jiǎn)要介紹。
關(guān)鍵詞:單片機;電動(dòng)執行器;位置反饋;A/D轉換
1FCF-1伺服放大器基本功能
1)給定輸入:輸入來(lái)自計算機、調節器或手操器的給定信號(一般為4~20mA的直流電流)。2)閥位輸入:來(lái)自執行器閥門(mén)開(kāi)度的位置反饋信號(一般為 4~20mA)。3)閥位增加輸出:使正轉固態(tài)繼電器打開(kāi),伺服電機正轉。4)閥位減小輸出:使反轉固態(tài)繼電器打開(kāi),伺服電機反轉。5)輸入斷路保護:當給定輸入電流IN或位置反饋電流WF的值小于3mA或斷線(xiàn)時(shí),面板上黃燈點(diǎn)亮報警,同時(shí),系統切斷總電源并送出抱閘信號和報警接點(diǎn)信號。6)輸出短路保護:當固態(tài)繼電器輸出發(fā)生故障短路時(shí),紅燈點(diǎn)亮報警,系統切斷總電源并且送出抱閘信號。7)輸出開(kāi)路保護:當固態(tài)繼電器輸出發(fā)生故障開(kāi)路時(shí),綠燈閃爍報警。8)死區調整功能:如執行器在平衡點(diǎn)振蕩,可將死區調大(比如將撥碼開(kāi)關(guān)‘1’撥到‘ON’的位置時(shí),‘2’、‘3’、‘4’為不變,則死區為滿(mǎn)量程的1.5%)。
2基本構成及電路原理
2.1信號采集及運算電路的構成及原理
此部分電路包括單片機AT89C2051,多路模擬開(kāi)關(guān)CD4051,A/D轉換器ADC0804等(圖1)。
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2.1.1AT89C2051
它是一個(gè)封裝為DIP20的芯片,其內部集成了8位CPU和2K的閃速存儲器;128字節的內部RAM;15條可編程的I/O口線(xiàn),2個(gè)16位的定時(shí)器/計數器。本放大器中共有兩片,一片用于數據采集、運算和控制,另一片用于系統保護和報警。
2.1.2CD4051
單端8通道模擬多路開(kāi)關(guān)。在本例中,僅X0、X1、X2三路切換,其余5路X3~X7不參加切換。二進(jìn)制控制輸入端也僅選A、B兩位,C接地,因此4051可譯出(00~11)4種狀態(tài),由2051控制口的3.5、3.7控制。
允許輸入端INH端常接地,保持4051常通。
2.1.3ADC0804
ADC0804片內有三態(tài)數據輸出鎖存器,與微處理器兼容,單通道輸入,轉換時(shí)間為100μs。典型接線(xiàn)如圖1所示,被轉換的電壓信號從Vin(+)和 Vin(-)輸入,允許此信號是差動(dòng)的或不共地的電壓信號。模擬地和數字地分別設置引入端,使數字電路的地電流不影響模擬信號回路,以防止寄生耦合造成的干擾。參考電壓可以由外部電路供給,從VREF/2端直接輸入。
ADC0804片內有時(shí)鐘電路。只要在外部“CLK-R”和“CLK-IN”兩端外接一電阻電容即可產(chǎn)生A/D轉換所要求的時(shí)鐘是片選端是控制芯片啟動(dòng)的輸入端是轉換結束信號輸出端為轉換結果讀出控制端,當它與同時(shí)為低電平時(shí),輸出數據鎖存器DB0~DB7各端上出現8位并行二進(jìn)制數碼,以表示A/D轉換的結果。
2.1.4作用原理
來(lái)自計算機、調節器或手操器的給定信號‘IN’從模擬開(kāi)關(guān)4051的X1端輸入,來(lái)自電動(dòng)執行器的位置反饋信號‘WF’從4051的X2輸入(見(jiàn)圖1), 它們分別由4051的X端送到A/D轉換器0804的‘Vin’端腳,經(jīng)A/D轉換為數字信號進(jìn)入2051的端口P1.0~P1.7,兩信號在CPU中相減,如IN-WF〉a(a為死區信號),則說(shuō)明給定信號大于位反信號,表示閥門(mén)沒(méi)有開(kāi)夠,由2051的1P3.2送出一高電平給反向驅動(dòng)器 U1(7404)的輸入端;反之,如WF-IN〉a,則說(shuō)明給定信號小于位反信號,表示閥門(mén)開(kāi)過(guò)頭了,則由2051的1P3.3送出一高電平給反向驅動(dòng)器 U2(7404)的輸入端;U1、U2的輸出端分別送出低電平K+或K-去控制下一級固態(tài)繼電器輸出電路G1或G2,送出一定功率的電流給電動(dòng)執行器的伺服電機線(xiàn)圈,使其正轉或反轉。
2.2保護電路的構成及原理
2.2.1輸入斷路保護電路
圖2中,BG1、BG2、J0和黃燈組成了輸入斷路保護電路,其原理是,當輸入4051的‘IN’及‘WF’信號因斷線(xiàn)或故障無(wú)信號時(shí),在單片機 2051-1的口線(xiàn)1P3.1送出低電平,此時(shí)BG1與BG2相繼導通,黃燈有電流流過(guò)而點(diǎn)亮報警。同時(shí),中間繼電器J0得電而吸合。在J0-2的作用下,繼電器J1閉合,使輸出控制電路中的常閉觸點(diǎn)J1-2斷開(kāi),切斷正反轉回路的交流220V電源,伺服電機停轉,并送出抱閘信號B,抑制閘門(mén)的轉動(dòng)慣量。同時(shí)J0-1常開(kāi)接點(diǎn)也閉合,現場(chǎng)報警。
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2.2.2固態(tài)繼電器輸出短路和開(kāi)路保護電路
(1)固態(tài)繼電器輸出短路和輸出開(kāi)路的判斷
由晶體管BG5、BG6等元件組成的電路為固態(tài)繼電器正向回路和反向回路的電流檢測電路,我們以正轉為例說(shuō)明其原理。
圖2中,h1為正轉回路的互感器次級線(xiàn)圈,當正轉回路有電流流過(guò)時(shí),h1上將感應出電壓,經(jīng)整流、濾波、放大、整形,一個(gè)標準的低電平送給2051-2的2P3.0,它是‘0’有效信號。2051-1送來(lái)的1P3.2是‘1’有效的正轉信號,加至2P3.1。
2P3.0與2P3.1組合起來(lái)有幾種情況:
1》.00:表示固態(tài)繼電器正向回路有電流流過(guò),而輸入無(wú)給定信號,說(shuō)明固態(tài)繼電器短路。
2》.01:表示固態(tài)繼電器正向回路有電流流過(guò),而輸入有給定信號,說(shuō)明運行正常。
3》.10:表示固態(tài)繼電器正向回路無(wú)電流流過(guò),而輸入無(wú)給定信號,說(shuō)明運行正常。
4》.11:表示固態(tài)繼電器正向回路無(wú)電流流過(guò),而輸入有給定信號,說(shuō)明固態(tài)繼電器開(kāi)路。
(2)固態(tài)繼電器輸出短路和輸出開(kāi)路的保護
當固態(tài)繼電器輸出短路時(shí),2051-2的2P1.7輸出高電平,紅燈被點(diǎn)亮報警。同時(shí),2P3.7輸出低電平,BG3、BG4相繼導通,J1得電,輸出控制電路中的J1-2常閉接點(diǎn)斷開(kāi),切斷固態(tài)繼電器回路的電源,伺服電機停轉。
當固態(tài)繼電器輸出開(kāi)路時(shí),2051-2的2P1.6輸出高電平,U3輸出低電平,點(diǎn)亮綠燈報警。U3、U4均為反向驅動(dòng)器LS7404。
2.2.3硬件復位與“看門(mén)狗”電路
本放大器選用軟硬件復位電路(上電復位、手動(dòng)復位、看門(mén)狗電路),使系統更加安全、可靠。
3程序框圖
圖3所示為伺服放大器用于信號采集和保護系統的程序框圖。
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3.1信號采集程序框圖
信號采集程序應用于2051-1。初始化是給2051-1的各端口及各寄存器設置一個(gè)初始狀態(tài),例如P3.1=1,P3.2=0,P3.3=0,表示將P3口的此三位分別設為
高、低、低電平,這樣一開(kāi)始不能有信號報警,也不能有正轉、反轉信號輸出。CD4051多路開(kāi)關(guān)的通道號由P3.5、P3.7選取,假如為‘00’,表示選中0號通道,同理,‘01’、‘10’、‘11’分別為1號、2號、3號通道。P3.0先“0”而后‘1’表示輸出一個(gè)正脈沖用以啟動(dòng)A/D轉換。A /D轉換后來(lái)自0通道的8位二進(jìn)制數送到P1口,它是由我們設定的死區范圍值。不同的設定將改變變量a1、a2、a3的參數。通道號變?yōu)?時(shí),P1口的值為X,它是伺放的給定信號,如X<48(電流值<3.7mA),說(shuō)明信號可能是斷開(kāi)的,這時(shí),P3.1=0,給出開(kāi)路報警信號。如X> 48,說(shuō)明信號正常,采集通道2的Y值,它即為位置反饋的值,同樣程序判斷其小于或大于48來(lái)轉到報警或下一步;以|X-Y|判斷給定與位反的差值,如小于設定的死區范圍,伺放將給出停機信號,只有|X-Y|>a,才判斷是X大還是Y大來(lái)決定正轉還是反轉。
3.2保護程序框圖
保護程序加在2051-2上,初始化程序與上述相同。P3.0是正轉固態(tài)繼電器有信號輸出的標志,‘0’有效。P3.1來(lái)自2051-1的P3.2,是正轉信號,‘1’有效。程序中取P3.0與P3.1的值進(jìn)行判斷,假如它們都為‘1’,說(shuō)明有正轉給定而無(wú)正轉輸出,顯然是輸出開(kāi)路,P1.6=1,即給出開(kāi)路報警信號。假如P3.0與P3.1都為‘0’,說(shuō)明無(wú)正轉給定而有正轉輸出,顯然是輸出短路,P1.7=1輸出報警,同時(shí),P3.7=0,啟動(dòng)保護繼電器動(dòng)作。P3.0與P3.1的值如果相異時(shí),放大器運行正常。
P3.2是反轉固態(tài)繼電器有信號輸出的標志,‘0’有效。P3.3來(lái)自2051-1的P3.3,是反轉信號,‘1’有效。程序中取P3.3與P3.2的值進(jìn)行判斷,判斷的方法與動(dòng)作的結果與取P3.0與P3.1的值的情況相同。
參考文獻:
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[2]潘新民.微型機過(guò)程控制接口技術(shù)[M].華中理工大學(xué)出版社,1986.
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