介紹了基于ADuC813單片機(jī)和ATT7028A三相電能芯片開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的三相電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能控制器的系統(tǒng)組成和工作原理;并著重介紹了硬件構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)提高可靠性和穩(wěn)定性所采用的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)和電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù);通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了智能控制器的自診斷和自保護(hù)功能。

　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用，隨著微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，其智能化水平不斷提高。通過(guò)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝附加傳感器，由智能控制器在運(yùn)行中連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，使得電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自診斷成為可能。

1、系統(tǒng)組成及工作原理

　　一體化三相電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由智能控制器、三相電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、位置傳感器等部件組成。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。智能控制器接收DCS給定的標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC模擬信號(hào)與位置傳感器信號(hào)比較，構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)最終控制閥門(mén)運(yùn)行到指定開(kāi)度。智能控制器同時(shí)把位置傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mADC信號(hào)反饋給DCS。智能控制器通過(guò)檢測(cè)三相電機(jī)的溫度、電流、電壓、頻率、相序和閥位等參數(shù)進(jìn)行故障診斷和處理。

圖1 系統(tǒng)組成

2、硬件設(shè)計(jì)

　　智能控制器采用具有8路12位A/D、2路12位D/A和4kB片內(nèi)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能的ADuC813單片機(jī)作為智能控制器的核心，減少器件數(shù)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性;采用線性光耦SLC800對(duì)輸入和輸出隔離，增強(qiáng)抗干擾和與其他系統(tǒng)匹配的能力;采用電子式無(wú)觸點(diǎn)三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度和可靠性;采用國(guó)產(chǎn)三相電能專用芯片ATT7028A檢測(cè)三相電機(jī)的電壓、電流、相序、功率等參數(shù)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高精度和可靠性。控制器的原理框圖見(jiàn)圖2。下面分別對(duì)硬件系統(tǒng)做具體簡(jiǎn)介。

2.1、ADuC813功能簡(jiǎn)介

　　為了滿足通用性、經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)應(yīng)具備體積小、片內(nèi)外設(shè)豐富、連接外圍器件方便、能夠在線調(diào)試等特點(diǎn)，為此選擇了AD公司生產(chǎn)的ADuC813芯片作為智能控制器的微處理器。

　　ADuC813是高度集成的高精度12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在單個(gè)芯片內(nèi)包含了高性能的自校準(zhǔn)8通道ADC，2通道12位DAC以及可編程的8位(與8051兼容)的MCU。片內(nèi)提供非易失性62kB閃速/電可擦除程序存儲(chǔ)器，4kB閃速/電可擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2304B的RAM。另外還集成了有看門(mén)狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器等功能。為多處理器接口和I/O擴(kuò)展提供了32條可編程的I/O線、I2C兼容的SPI和標(biāo)準(zhǔn)UART串行端口。片內(nèi)2.5VDC參考源和片內(nèi)溫度傳感器。

圖2 控制器原理框圖

2.2、輸入輸出隔離電路

　　這部分電路的主要功能：其一是將4～20mA輸入信號(hào)通過(guò)線性光電隔離放大器隔離后，轉(zhuǎn)換成0.5～2.5V電壓接MCU的A/D輸入端;其二是將MCUD/A輸出的0.5～2.5V位置反饋信號(hào)經(jīng)線性光電隔離放大器隔離后，轉(zhuǎn)換成4～20mA信號(hào)輸出。

　　與其他ADC芯片相比，ADuC813的ADC模塊有個(gè)缺點(diǎn)，就是ADC正常工作的模擬輸入范圍為0～2.5V;而正常輸入信號(hào)范圍是0～+5VDC，需要經(jīng)過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換，ADuC813才能正常轉(zhuǎn)換。另外要特別注意，一旦輸入信號(hào)反向，則會(huì)影響ADuC813正常工作，表現(xiàn)為ADC的基準(zhǔn)電壓(VREF=+2.5V)消失和采樣結(jié)果不正確，且若長(zhǎng)時(shí)間輸入負(fù)電壓，將可能損壞芯片。4～20mA輸入信號(hào)接反就會(huì)使ADC輸入負(fù)的模擬電壓影響ADuC813工作，為了避免這種情況，在輸入電路前端加了一個(gè)二極管橋路。使輸入信號(hào)無(wú)論怎么接都不會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓，保證了ADuC813的正常工作。

2.3、三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制模塊

　　該模塊采用電子式無(wú)觸點(diǎn)固態(tài)繼電器，輸入與輸出光電隔離，模塊內(nèi)部設(shè)置互鎖，有效的防止同一時(shí)間內(nèi)固態(tài)繼電器的正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。雙色發(fā)光二極管顯示三相電機(jī)的轉(zhuǎn)向。其特點(diǎn)是可靠性高、壽命長(zhǎng)。

2.4、ATT7028A功能簡(jiǎn)介

　　ATT7028A是高精度三相電能專用芯片，主要包括3部分：A/D轉(zhuǎn)換部分、數(shù)字信號(hào)處理、通訊及其他。

　　該芯片的A/D部分集成6路二階梯A/D轉(zhuǎn)換器，采用過(guò)樣技術(shù)，6個(gè)通道可同步采樣，采用雙端差分信號(hào)輸入方式分別針對(duì)三相電壓、三相電流檢測(cè)，各路的采樣是16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)片內(nèi)運(yùn)算電路的處理，得到24位的測(cè)量輸出。

　　數(shù)字信號(hào)處理部分對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器濾波，然后分別計(jì)算各相的有效值、有功功率、相位、功率因數(shù)、電能和合相的有功功率、電能、頻率、功率因數(shù)等電力參數(shù)。同時(shí)還提供電阻網(wǎng)絡(luò)校正和軟件校正兩種方式作誤差校正。

　　ATT7028A提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間數(shù)據(jù)傳遞，所有計(jì)量參數(shù)都可以通過(guò)SPI接口讀出。另外片內(nèi)還提供一個(gè)電源監(jiān)控電路，用于檢測(cè)工作電壓。

　　根據(jù)以上特點(diǎn)，采用ATT7028A用于智能控制器三相電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)，ADuC813通過(guò)SPI口實(shí)時(shí)讀取電壓、電流、頻率、相序等參數(shù)進(jìn)行故障診斷和控制。

2.5、電壓和電流的采樣輸入電路

圖3 電壓和電流的采樣輸入電路

　　電機(jī)的電壓、電流分別通過(guò)電壓、電流互感器，采用差分方式輸入給ATT7028A的電壓通道和電流通道。輸入最大的正弦信號(hào)有效值是1V。建議將電壓通道Un對(duì)應(yīng)到ADC的輸入選在0.5V，電流通道Ib的ADC輸入選在0.1V。電壓和電流的前端輸入通道電路如圖3所示。

2.6、按鍵和顯示模塊

　　本電路由數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)和按鍵組成。可以通過(guò)數(shù)碼顯示和按鍵對(duì)輸入信號(hào)零點(diǎn)、量程，反饋信號(hào)零點(diǎn)、量程，死區(qū)、正反作用、安全閥位、流量特性等參數(shù)設(shè)置。顯示運(yùn)行參數(shù)和診斷信息。方便了用戶的使用和調(diào)試。

2.7、外部看門(mén)狗自復(fù)位電路

　　為了保證在強(qiáng)干擾下程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，ADuC813能夠自動(dòng)恢復(fù)正常工作，選用IMP813LESA芯片作為ADuC813的外部看門(mén)狗自復(fù)位電路。一旦程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)超過(guò)1.4秒，就會(huì)自動(dòng)復(fù)位ADuC813，這樣增強(qiáng)了智能控制器的可靠性和抗干擾能力。

2.8、AC/DC電源電路

　　電源為AC/DC穩(wěn)壓電源，共有三路，兩路隔離的15V，主要用于線性光電隔離的前、后電路供電;一路5V主要用于MCU、顯示電路、外部看門(mén)狗電路供電。在電源輸入輸出端增加了瞬態(tài)干擾抑制器TVS。TVS是一種高效能電路保護(hù)器件，當(dāng)其受到瞬態(tài)干擾時(shí)，其阻值以1x10-12的速度驟然降低并接近零，吸收數(shù)千瓦的浪涌功率，而其兩極間的電壓被箝位在預(yù)定的電壓值以內(nèi)，從而保護(hù)了電路;這大大提高了電源的穩(wěn)定性和可靠性。

3、軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)利用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和維護(hù)。智能控制器的軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、故障自診斷及處理模塊、DA輸出模塊、伺服控制及驅(qū)動(dòng)模塊、顯示/按鍵處理等構(gòu)成。控制軟件流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 控制軟件流程圖

4、可靠性設(shè)計(jì)與電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，指的是為了提高產(chǎn)品的可靠性，在設(shè)計(jì)上采取的一系列技術(shù)措施，例如元器件的降額設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)技術(shù)、冗余設(shè)計(jì)等，以便合理地選擇元器件，設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)，確定參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式。正確地進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，是確保產(chǎn)品可靠性的前提，同時(shí)也更便于產(chǎn)品的生產(chǎn)和調(diào)試，使之達(dá)到規(guī)定的可靠性指標(biāo)。在使用時(shí)，則能保證產(chǎn)品在允許的不同工作環(huán)境下可靠地工作。智能控制器在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了多種可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，使之具有較高的可靠性水平。可靠性指標(biāo)：MTBF≥25000h。

　　另外，本產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還運(yùn)用了電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)提高智能控制器的抗干擾能力與工作穩(wěn)定性。

5、結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于ADuC813單片機(jī)和ATT7028A三相電能芯片設(shè)計(jì)了一款新型三相電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能控制器。該控制器具有高度的自身保護(hù)及系統(tǒng)保護(hù)功能，可以對(duì)多種故障進(jìn)行診斷，并就地處理。由于采用了電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)和可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，使智能控制器的抗干擾能力和可靠性大大提高;本產(chǎn)品已定型生產(chǎn)銷售，在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，性能穩(wěn)定、可靠，使用效果非常好，證明總體設(shè)計(jì)是成功的，方法是得當(dāng)?shù)模�現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。