新型CAN智能電動執行器的設計(圖)

　　控制器局部網CAN(Controller Area Network)屬于現場總線的一種，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，被公認為是最有前途的現場總線之一。

　　在工業控制系統中，電動執行器是電動單元組合儀表中一個很重要的執行單元。它由控制電路和執行機構兩個在電路上完全獨立的部分組成，可接收來自調節器的電控信號，將其線性地轉換成機械轉角或直線位移，用來操縱風門、擋板、閥門等調節機構，以實現自動控制。近年來，隨著微電子技術和控制技術的迅速發展，電動執行器也獲得了快速發展，特別是國外一些生產廠商在這幾年中相繼推出了常規的、帶現場總線通信協議的智能電動執行器，而CAN智能電動執行器就是最有發展潛力的一種。

　　本文介紹的CAN智能電動執行器采用無刷直流電機控制，控制精度高，實現了數字化的閥位檢測，可提高閥位測量的精度和可靠性，能取代現行普遍采用的電位器和差動變壓器模擬測量方法。

　　控制電路的硬件設計

　　CAN智能電動執行器的原理結構如圖1所示。

　　圖1 CAN智能電動執行器的原理結構圖

　　整個電路主要由五個部分組成：單片機P89C58為主的主機部分，由SJA1000、82C250、光電隔離電路等組成的CAN總線控制及接口部分，由無刷直流電機專用控制芯片MC33035組成的電機控制部分，閥門位置檢測部分和LCD液晶顯示部分。

　　1 CAN總線及接口部分

　　CAN總線控制及接口如圖2所示，主要包括獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發器82C250和高速光電耦合器6N137。

　　單片機P89C58首先對SJA1000進行初始化，控制SJA1000實現數據的通信任務。SJA1000的AD0～AD7連接到89C52的P0口，CS連接到89C52的P2.0口，其余的引腳分別對應相連。

　　圖2 CAN總線及接口部分

　　為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是經高速光耦6N137后再與82C250相連，這樣就很好地實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。82C250與CAN總線的接口也采用了一定的安全和抗干擾措施，它的CANH和CANL引腳與CAN總線之間各串聯一個5Ω的電阻，這樣可起到一定的限流作用，保護82C250免受過流的沖擊；還可以在CANH和CANL引腳上并聯小電容，起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的作用。82C250的Rs腳上接有一個斜率電阻，電阻大小可根據總線通信速度適當調整，一般在16～140kΩ之間。

　　2 電機控制電路

　　該電動執行器里電機控制芯片采用了安森美公司開發的高性能第二代單元無刷直流電機控制器MC33035。該控制器內含可用于正確整流時序的轉子位置譯碼器，以及可對傳感器的溫度進行補償的參考電平；同時，還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調制器比較器、三個集電極開路頂端驅動輸出和三個非常適用于驅動功率MOSFET的大電流圖騰柱式底部輸出器。電機控制電路原理模塊如圖3所示。

　　圖3 電機控制電路原理模塊圖

　　該電機控制電路的功能包括PWM開環速度控制、使能控制和正反轉控制。電機的轉速控制是利用4-10位譯碼器/驅動器74LS145的功能，由單片機P89C58給出信號，通過分壓電路提供給引腳速度電壓來實現的。

　　電機的使能控制和正反轉控制信號也由單片機控制，發出電平信號給89C2051，進行電平轉換后輸出給MC33035相應的管腳來控制電機的工作狀態。

　　3 閥門位置檢測電路和液晶顯示

　　為了實現閥位的數字化檢測，在A/D轉換電路中采用了ADI公司的16位∑-△(電荷平衡式)A/D轉換器AD7705。AD7705包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調節電路、∑-△調制器及可編程數字濾波器等，能直接將來自傳感器的不同擺幅范圍內的信號放大到A/D轉換器滿標度電壓附近，再進行A/D轉換，實現了0.003%精度的非線性16位無誤碼數據輸出；其增益和數據輸出更新速率均可編程設定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統校準方式。通過外接高精密導電塑料電位器傳感器，由基準電壓值分壓后所得電壓值即反映了閥門位置值。

　　系統采用TRULY公司生產的128×64點陣液晶，它的所有控制器、掃描電路和顯示RAM集成于液晶屏背面，并帶有LED背光。該模塊采用單電源供電，由大規模點陣式顯示控制器KS0107、液晶屏陣列驅動電路KS0108、顯示存儲器和液晶屏等4部分組成。

　　智能執行器軟件設計

　　軟件設計主要包括三個方面：CAN總線通信模塊、電動執行器的控制和LCD顯示。

　　CAN總線通信部分可將SJA1000初始化，在其初始化完成以后回到正常工作狀態，將執行器的運行情況通過總線向上位機傳送，而且操作者可以從上位機下達控制指令來操作執行器。

　　電動執行器的控制部分主要實現閥門的位置控制功能，還可以通過控制電機的轉速來控制閥門的閉合速度。LCD顯示部分主要顯示閥門的閥位情況和執行器的工作情況，還可以顯示上位機給執行器發出的控制信號。

　　系統的程序流程如圖4所示。