电动执行器广泛应用于流量控制中，它的作用是接收控制器指令，使阀门的开度产生相应的变化，以达到调节流量的目的。传统的电动执行器，由于精度差，死区大，接线复杂等原因，远不能适应现代化工业生产的需要。随着微电子技术的发展，电动执行器的结构和性能不断地提高，出现了以微处理器为核心的电动执行器。本文设计了一种基于ADμC812单片机的电动执行器。

    1 基本原理

    电动执行器接受上位控制系统的控制信号，同时接受输出的位置反馈信号，在控制器内对这两个信号进行运算，实现对阀位的闭环调节。控制器还接收来自电动机的过流信号，来自执行器腔内的温度信号，来自减速器的过力矩信号和行程开关信号等，并据此对电动机进行控制，以实现电机的过流过热保护，输出过力矩保护和输出电气限位。

    2 硬件电路设计

    进行系统硬件设计时，既要考虑编写程序的方便，又要充分利用软件的功能来简化硬件结构。

    2.1 单片机的选择

    图1是电动执行器的结构图，系统有4路模拟量输入，而模拟量要转换为数字量才能用单片机CPU 处理。为提高控制器的性能价格比，应采用内部集成有A/D转换的单片机。系统必须有设定参数和掉电保护功能，在不进行外部扩展的情况下，希望在单片机内部具有可进行读写操作的闪速/电可擦写存贮器。经过各方面的综合比较，选用了AD公司ADμC812微转换器^[1]作为控制核心。该芯片加上少量的外围电路，就可组成完整的电动执行器控制器，电路结构非常简单。

    ADμC812具有8051（8052）内核MCU，它在单个芯片内集成了高性能的自校准8通道12位A/D转换器，两路12位D/A 转换器。ADμC812本身带有8k字节FLASH 存贮器，640字节的FLASH/EEPROM，256字节的数据存贮器。另外，MCU具有包括看门狗，电源监视器和ADC DMA功能。为多处理器接口和I/O口提供了32条可编程I/O线，I2C兼容的SPI和标准UART 串行口I/O口等。

    2.2 模拟输入电路

    位置发送器以电位器作为传感器，将执行机构输出轴的角位移转变为电压信号，输入到检测电路，经差分放大，输出和角度对应的电流信号。该信号与上位控制系统送来的反映阀门开度的电流信号，分别经过采样电阻将其输入至ADμC812的A/D转换口。其电路如图2所示。

    对过流信号的检测，不用经过比较器，而是采用模拟信号整流分压后直接输入，通过ADμC812自带的A/D转换器进行检测，并进行软件比较，以确定是否过流。

    过热检测使用温度传感器AD590，经过放大和信号调理后，输出0.0~2.5V的电压信号送入ADμC812的模拟输入端，经A/D转换后通过软件和设定值进行比较，实现温度检测和过热保护。

    2.3 键盘及显示电路

    电动执行器键盘及显示电路应具有以下功能：

    （1）正常运行情况下，显示阀门的开度；
    （2）在出现故障的情况下，显示故障出现的可能原因，并发出报警；
    （3）在设置参数状态下，配合键盘显示键入的各种参数。

    电路设计中，在不对单片机进行扩展的情况下，应尽可能少地占用I/O口线。选用了MAX7219作为显示驱动芯片。MAX7219是MAXIM公司生产的一种串行输入/输出共阴极显示驱动器，用来把微处理器接口到8位7段数字LED显示器^①。其片内包含有一个BCD码的译码器，多路复用扫描电路，段数字驱动器及存贮每个数字的8×8RAM^[2]。

    在本电路设计中，MAX7219和ADμC812通过SPI接口实现4位LED显示。电路结构简单，只占用3条I/O口线。由于SPI接口有硬件的支持，软件编程也很方便。

    键盘直接使用ADμC812的P2.0~P2.3端口，通过这4个按键可实现执行器的各种状态的转换和参数的输入。

    2.4 输出电路

    控制信号从ADμC812的P0口1.2端口输出，经过ULN20O3放大，控制具有过零触发的固态继电器驱动电机的正转或反转，达到控制的目的。电路简单，工作稳定可靠，不污染电网。

    2.5 通信接口

    为了使电动执行器具有通用性，设计了支持RS485和现场总线CAN协议的两种接口供用户选择，RS485接口芯片采用SN75LBC185，CAN接口芯片采用PHILPS公司的SJA1000通信控制器和82C250总线收发器。

    3 软件设计

    系统软件由主程序、键盘服务程序和子程序组成。程序用C语言编写，采用模块化设计，编译完成通过串行口下载到ADμC812的片内FLASH存贮器中。子程序主要由初始化、数据采集、控制运算和输出、运行状态显示、报警输出、通信子程序组成。键盘服务通过定时查询方式，实现各种状态转换的显示和参数的输入。程序流程图如图3所示。

    由于电动机的惯性，位反信号的滞后等原因，在控制算法中，若采用传统的控制，往往容易造成超调，造成电动机的频繁动作^[3]。在控制运算和输出子程序中，采用新的控制算法，即比例一脉冲控制。在阀门的实际开度和信号偏差较大时采用比例控制，在偏差较小时采用脉冲控制，其脉冲宽度为T_p=T×D+T₀，其中T为时间常数；D为位反偏差；T₀为执行机构启动的*小时间。

    CAN通信服务子程序采用一个监控网络，即在CAN总线上有一台上位计算机节点和若干个电动执行器节点。电动执行器要传送的数据有阀门的实际开度和各种参数，故障报警时的数据等，在上位计算机向电动执行器发出请求数据要求且电动执行器收到数据时，电动执行器将现场采集的数据打包发送给上位计算机。当现场出现故障时，电动执行器则不等上位计算机发出请求数据要求，就将故障数据发送。

    电动执行器工作在比较恶劣的电磁环境下，抗干扰性设计尤为重要。由于ADμC812内部存在看门狗电路，在程序中通过WDTCON 控制寄存器设置定时时间，通过WDC.1使能启动看门狗定时器，实现对程序执行过程的监控。

    4 结束语

    以ADμC812为控制核心的电动执行器，和传统的电动执行器相比，具有以下优点：
    （1）控制精度和动态特性明显提高，其控制精度可达到1.5%，比传统执行其高出2%~4%；
    （2）电路简单，元件数少，实现了机电一体化结构，可靠性高，接线方便；
    （3）的通信功能，易于和上位机通信；
    （4）较强的自诊断保护功能，能诊断输入信号和反馈信号断线，驱动电机异常，电机过热过流等故障，并能针对不同的故障原因，采取相应的保护措施。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司