目前大量使用的电动执行机构，其传动部分往往采用传统的多级减速传动，传动平稳性差、传动精度和效率低；其控制多为通过对模拟量的运放、比较等处理来达到控制的目的，缺点是：响应速度慢、控制精度低，尤其是对外界环境敏感，稳定性和可靠性差。针对这一状况，研制了采用数字控制的智能电动执行机构，其具有如下特点：

    ① 突破传统传动方式，采用复式谐波传动^[1]，不仅使其结构更紧凑，而且运动精度高；
    ② 采用集成度较高的单片机（80C552）^[2]为CPU，在提高系统控制精度、扩大系统灵活性的基础上，使系统高度集成；
    ③ 增设了各种在线调整功能与安全保护措施，使用更方便可靠。

    1 系统简介

    执行机构由三部分组成：动力及传动部分、反馈装置、控制器部分。组成框图如图1所示。

    控制器接收上位机输入的设定信号和反馈装置的位置反馈信号，组成闭环系统去控制阻尼电机，由电机经复式谐波传动，驱动输出轴转动，*终带动调节机构稳定在所需位置。上位机将通过控制器获得输出轴的位置信号。

    2 动力及传动部分

    执行机构的动力由阻尼电机提供，并经减速机构增力减速后由输出轴驱动调节机构工作，为使传动机构更紧凑并提高传动精度，开发研制了专用的复式谐波传动装置，其结构示意图如图2所示。电机运动由波发生器输入，经复式谐波一级减速即可达到要求的转速，使整体结构大为简化。手动运动经蜗杆副由固定刚轮处输入。利用蜗杆副的自锁性，电机驱动时，该刚轮固定不动，而当蜗杆手动驱动时，发生器、柔轮、刚轮一起运动，实现手动快速驱动。

    为使执行机构工作时更安全可靠，除电控系统采取措施外，亦设置了机械极限位置锁定、力矩限制等装置，以提高工作的可靠性。

    3 控制器

    3.1 硬件的设计

    控制器结构框图如图3所示。其主要由两路模拟量输入模块和其他一些辅助模块组成，主要功能介绍如下：

    单片机（80C552）通过其内置的8路10位逐次比较式A/D转换器采集远程设定信号和位置反馈信号，并数字化后比较处理，从而克服了电子式控制器噪声大、温度影响大等缺点。远程设定信号通过状态选择开关，可以选择电压或电流输入，位置反馈信号由精密导电塑料电位器提供。通过比较远程设定信号和位置反馈信号的差值来决定电机状态，灵敏度可根据不同要求在线数字设定。

    系统扩展了可擦写E²PROM和RS-485接口，E²PROM接口用来保护实时断点参数和重要数据；RS-485可实现与上位机（中心控制室）的总线式数字通信。

    人机接口（键盘、指示灯）模块提供参数设定、状态指示及故障报警功能。在确定电动执行机构工作环境后，通过键盘可以在线进行灵敏度、零点、行程的设定和调整，并由指示灯实时反映正在设定的参数；状态指示及故障报警实时的提供系统工作情况。人机接口抛弃了电子式电位器调整方式，提供了可视的、方便灵活的数字式调整方式。

    在硬件上，设计了电压、电流、逻辑保护等功能^[3]，并通过限位开关设置了极限位置保护功能。抗干扰方面，采用了滤波、去偶、屏蔽、隔离等技术以适应工业应用。

    3.2 软件设计

    控制器的软件设计是非常重要的，它关系到控制系统是否能正常、可靠地工作。控制器的软件采用C51语言^[4]编写，由保护模块、自检及初始化模块、键盘操作处理模块、参数调整模块、E²PROM数据保护模块、系统过程监控模块等构成。其工作流程如图4所示，主要功能如下：

    ① 软件保护采用数字滤波、软件陷阱、监视定时器（看门狗）相结合的方式，以提高系统的可靠性。
    ② 自检及初始化：系统采用上电自检和过程自检相结合的方式；初始化包括对定时器、串行口、A/D、I/O、中断等CPU内部资源和系统状态的初始化。
    ③ 键盘操作处理，本系统采用独立式键盘，用查询方法对键盘进行检测，该程序主要包括键盘查询和键功能转移程序两部分；在硬件和软件上都采用了键盘去抖处理，以提高键盘访问的准确性。
    ④ E²PROM主要用于重要数据和断点的保护，考虑到数据的重要性和数据不多，采取同一数据多处保存和比较判断修正的方法以确保数据的可靠性。
    ⑤ 参数处理模块，参数的调整采用按键点动调节方式，即每按一次按键参数增加或减少一定增量。调整后的参数写入E²PROM，下次上电后直接读取，无需每次重新设置。

    4 结论

    智能电动执行机构样机实测数据为：基本误差为±0.5%，回差为1%，死区0.5%~1%可调。这表明该执行机构在提高控制精度的前提下，结构更紧凑、使用方便灵活。更重要的是，只要改变软件设计，既可调节流量与信号的关系，可以做到一种调节机构，可得到不同的流量特性，适应性更广

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司