智能控制器是电动执行机构极为重要的位置控制单元。

    本文介绍的智能控制器（PCU）具有如下特点：

    ①智能控制器设计为印刷线路板卡式结构，设定键、操作按钮、调节拨盘、显示器等均安装在一块印板上，操作、调试、更换极为方便。

    ②在电机控制算法上采用比例+步进控制方式，避免了超调、振荡的发生，使执行机构在电机不加电磁制动器的情况下，也能达到精确的位置控制精度要求。

    ③功率部件采用性能可靠的固态继发器件，保证了执行机构在高低温条件下的长期可靠运行。

    ④具有自诊断、自动扫描、故障报警、事故处理及正反作用切换以及与上位机通信等功能，极具实用性。

    1 工作原理

    智能控制器工作原理如图1所示。智能控制器采用新型的高效单片CPU和外围芯片组成智能化的位置控制单元，接收统一的标准直流信号，经信号处理及A/D转换送至微处理机，微处理机将处理后的数据送至显示单元显示调节结果，发出固态继电器控制信号，并驱动交流伺服电机。与此同时，位置信号自我反馈，从而达到自动调节的目的。此外，还可根据需要，将数据通过RS一485串行通信送至计算机。

    2 硬件设计

    智能控制器根据性能好、可靠性高、抗干扰能力强、价格低的设计原则，其硬件设计采用了新型高效的单片CPU，外围芯片均采用串口控制。具体选择如下：

    ①CPU采用目前较为普遍应用的MCS-51系列芯片AT89C52，使用其片内的程序存储器编程，免去了使用外接EPROM时所需的较多的数据线、地址线等，从而增加了输入、输出端口。设计时，将键盘和功能选择开关直接连至CPU的P₀口，死区、延迟选择开关直接连至CPU的P₂口，余下的P₁、P₃口则用作各外围芯片的串口控制及输出等。这样，单片机的各输入、输出端口得到了充分利用，线路简洁、总体结构合理。

    ②A/D、D/A转换器均采用串口控制的芯片。A/D转换选用AD公司出品的、适用于低频测量的AD7705。AD7705系列采用∑-△技术，具有实现16位无误码的良好性能，采样速度快且双通道输入，分别采集输入信号和位置反馈信号，能满足实时控制的需要。电流输出的D/A转换部分则采用高输入阻抗、低功耗的10位D/A转换器TLC5615芯片。

    ③电压基准采用微功耗的LM285-2.5，其温度漂移系数较低，工作温度范围为-20-+85℃ 。

    ④采用EEPROM25045（X5045P）芯片保存系统的工作参数等，保证系统通电后就能马上投入工作，25045系串行接口，具非易失功能。

    ⑤本智能控制器采用MAX813L为系统的看门狗电路。当系统受到外界强烈干扰、程序万一出错时，MAX813L芯片可使智能控制器的程序复位，保证其能长期可靠地工作。

    ⑥在智能控制器的电源部分前端加上电源滤波器，并在主机电源等处加上足够多的去耦电容，以提高智能控制器的抗干扰能力。

    ⑦采用光电耦合器件用于智能控制器主机电源与输出电源间的隔离，提高了系统的可靠性。

    ⑧驱动电机的固态继电器经精心筛选，其工作电压、工作电流留有较大的余量，输出端加接压敏电阻，保证了输出部分能长期可靠工作。

    3 软件设计

    3.1 总体设计

    智能控制器的设计软件主要是由主程序、按键拨盘扫描子程序、自动调试子程序、故障处理子程序、AD7705模/数转换子程序、运算子程序、TLC5615数/模转换输出子程序、定时中断子程序、数据保存子程序。手动操作子程序等组成。主程序流程框图如图2所示。

    单片机通电后首行初始化。初始化完毕后，扫描键盘、拨盘等，根据其设定确定用户所需的各项设置，如死区、延迟时间、满度设置、故障处理方式、正反作用等，并将这些设置转换成单片机程序处理所认可的各项数据。若有按键功能，则分别进行判断并作相应动作，如自动调试、手动操作、CH₁设置、CH₂设置等。

    按键扫描后，程序回到正常运行状态，通过对两路A/D信号的采样，即4～20mA电流输入信号和位置反馈信号按比例换算后，不断进行比较判断，发出电机正转或反转的动作指令，同时点亮对应的LED灯予以运行状态指示。在比较判断过程中，以比例+步进的控制方式达到*终的控制目标。在整个运行过程中，也实时对外输出4～20mA的位置反馈电流信号。

    在正常运行过程中，若检测到有故障，程序转向故障处理，点亮故障报警指示灯并按故障状态设置作出相应动作：执行机构全开、全关或保持原位。若有CH₁设置，执行机构的全开、全关位置将根据其设定值来确定。

    3.2 电机控制设计

    在采用电动执行机构作为执行单元的自动控制系统中，执行器由于刹车失灵或不灵敏区太小容易出现振荡现象。而克服振荡的方法有三种：① 采用刹车装置；②扩大不灵敏区；③ 降低伺服电机的转速。目前刹车装置不太可靠，且执行器的刹车装置系机械装置，使用寿命短，调整困难，使用效果不太理想。而扩大不灵敏区直接影响控制精度。降低伺服电机转速可直接减小惰走，但会增大执行器全行程时间，降低执行器调节速度，与调节系统的快速要求相矛盾。

    故在本设计中采用的为比例+步进的控制方法：在运行过程中设置了大小两个死区（即不灵敏区），当执行机构在大偏差时，即电流输入信号和位置反馈信号两者之间差值较大时，以正常的比例控制法快速动作调节；若两者之间的差值大于小死区而小于大死区，即进入小偏差时，则改转入步进子程序，以慢速作精密的、稳定的调节，直至执行机构达到要求的位置（即偏差值达到小死区范围以内）。

    4 主要技术性能

    输入信号：4～20mA，d.C.

    输入阻抗：125Ω

    位置信号：4～20mA，d.C.   

    输出负载电阻：0～500Ω

    输出功率：220V，a.c.，5A（）

    死区选择范围：0.1%～7.5% ，可调

    延迟时间：0～4.5s可调

    具有自诊断、自动调试、运行状态显示、故障报警、事故处理和正反作用切换等功能

    故障状态选择：全开、全关、保持原位

    通信接口：RS-485

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司