2021年01月15日 | 基于单片机的电动执行机构控制器的研究

工业生产过程自动调节系统一般由检测器、调节器、执行器和调节对象组成。其中执行器总是不可缺少，一般由执行机构和调节机构(一般称为调节阀)组成。此外，根据需要还可配上阀门定位器和手轮机构等附件。

执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用，常被称为实现生产过程自动化的“手足”。电动执行器以电能为动力，接受调节器来的标准信号(模拟量或数字量)，通过将这信号变成相对应的机械位移(转角、直线或多转)来自动改变操作变量(调节阀、风门、挡板开度等)，以达到对被调参数(温度、压力、流量、液位等)进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。所以电动执行器对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响。

1 电动执行机构的工作原理

电动执行器控制系统的工作原理如图1所示。

可以看出，电动执行机构的控制单元接收工业仪表或计算机输出的光电隔离型4-20mA(15V)的模拟信号和电动执行机构内部的转动或位移信号，

2 电动执行机构的设计思想

主要思想是以单片机为核心，并应用A／D转换，D／A转换，电压电流转换，可控硅控制电路等。将要调整的位置信号(即给定信号)和阀门目前所在的位置信号(即反馈信号)，经A／D转换后送入单片机89C51。单片机通过软件程序的执行，对给定信号和反馈信号进行比较，将比较后的结果通过可控硅控制电路(即驱动部分)，实现对电动机的正反转控制。此外，将输出的反馈信号(数字信号)经D／A转换环节转变成模拟信号(即1-5V电压)输出，并通过电压电流转换，将1-5V电压转换成4-20mA电流，然后将这4—20mA电流通过电流表显示出来，从而达到显示执行机构的转动情况的目的。

3 电动执行器的特点

电动执行器是以220V单相交流电源作为驱动电源，接受来自调节器的DC4—20mA，或者DC15V控制信号来运转的全电子式执行机构。具有以下特征：

(1)能自动进行各种复杂计算和修正误差的数据处理能力。

(2)能自动完成某些测量任务或在程序指导下完成预定动作。

(3)具有自校准、自检测、白诊断功能。

(4)便于通过标准总线组成个多种仪表的复杂系统，实现复杂的控制功能，并有灵活地改变等扩展功能。

执行器由执行机构(驱动)和调节机构(阀芯)组成，其中执行机构通过接受调节器输出的控制信号，转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积。执行器一般安装在生产现场，直接与介质接触；通常在高温，高压，高黏度，强腐蚀，易结晶，易燃易爆，剧毒等场合下工作；直接影响过程控制系统的控制质量。

4 设计方案的分析

4．1 A／D转换部分

图2中，IN+端为给定信号的输入端，它与信号源输入端子相连，输入4—20mA的电流信号，该电流从胛(250欧姆)流过，产生1-5V的端电压，此电压为输入TLC1543的引脚AO端的模拟信号。其中，R8的设计起到限流的作用，阻值只需比250欧姆小些即可。4—20mA电流是线性变化的，转换成对应的电压也是线性的。

电能在通过电网的传送过程中，由于受到电网中一些强感性负载的冲击不可避免地存在高频的锯齿波，这些高频干扰会造成精密电子仪器的失灵甚至损坏。

本次设计中应用电容滤波，然后用电感滤波，接着用整流电路并联电容的方法，来去掉来自电网的干扰。

在很多的电子电路中，为了减少后级电路对前级电路的影响，有些前级电路的输出要求有较强的带负载能力(即要求输出阻抗较低)，要用到缓冲电路，从而达到增强电路的带负载能力和前后级阻抗匹配，晶体管射随器就是一种达到上述功能的缓冲电路。

UN=UP

VF端的电压等于稳压管的端电压为5V，如图3，而VF端所要带负载为电位器R3。

通过负载昭的电流为5v／1K=5mA，提供5V电压的稳压管中流过的电流要远小于流过所带负载的电流，因此为提高VF端的带负载能力，用到了晶体管射极跟随器。

4．2单片机控制部分

该部分是控制器模块的核心，主要功能是实现所需软件程序的设计。它通过对输入信号的处理，实现对驱动部分的控制，从而调节阀门开度。

图4中的1、2脚用来控制驱动，9脚作用是定时，18、19脚是用来产生一个晶振实现单片机的工作，3、21脚在设计中实现了指示灯功能，26脚接按键，以启动单片机动作。

4．3 D／A转换部分

该模块实现了将数字信号转换成15V的模拟信号，并将15V通过V/I，转换变成4—20mA信号，最终将该信号(4-20mA即当时阀门的开度信号)通过IoutT端输出到电流表并显示出来。

4．4供电电源电路

在电子电路设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。单相交流电要依次经过电源变压器、整流桥电路整流、电容滤波电路，稳压管稳压转变成直流电。本文利用一个变压器及两个桥路产生两组直流电源来对各部分进行供电。

5 电动执行器基本类型及参数

(1)输出信号：4-20mA(Ⅲ型)或0—10mA(Ⅱ型)，

(2)输人通道：一个，阻抗200欧姆(Ⅱ型)250欧姆(Ⅲ型)，

(3)额定力矩：角行程100N·m～10000N·m

直行程4000N一40000N

多转型40N·m—1000N*m，

(4)额定行程：角行程90度

(5)灵敏度：0．5％-3％可调整，

(6)阻尼特性：小于1．5周期，

(7)非线性误差：±1．5％，

(8)来回变差：≤±1％，

(9)外壳防护等级：IP65，

(10)电源电压：～220V(+10％／-15％)，50Hz．

(11)使用环境温度：执行机构-10-+65度(分立式-25～+70度)

(12)环境相对湿度：执行机构≤95％。

6 结束语

通过智能模块控制执行器带动电机转动以达到控制阀门开度。模块采用A189C51单片机来实现阀门的动作和位置控制。在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等各个方面。执行器解决了阀门的精确定位等技术问题，根据其运行情况，可以发现电动执行器控制动作迅速。