1、一种智能型伺服放大器的设计摘 要：介绍阀门控制电动执行机构中的 FCF1 智能伺服放大器的功能、构成及电路原理，并对放大器的软件框图作了剖析，对使用的元器件电路性能也作了简要介绍。关键词：单片机；电动执行器；位置反馈；AD 转换1 FCF1 伺服放大器基本功能1）给定输入：输入来自计算机、调节器或手操器的给定信号（一般为 420mA 的直流电流） 。2）阀位输入：来自执行器阀门开度的位置反馈信号（一般为 420mA） 。3）阀位增加输出：使正转固态继电器打开，伺服电机正转。4）阀位减小输出：使反转固态继电器打开，伺服电机反转。5）输入断路保护：当给定输入电流 IN 或位置反馈电流 WF 的值小
2、于3mA 或断线时，面板上黄灯点亮报警，同时，系统切断总电源并送出抱闸信号和报警接点信号。6）输出短路保护：当固态继电器输出发生故障短路时，红灯点亮报警，系统切断总电源并且送出抱闸信号。7）输出开路保护：当固态继电器输出发生故障开路时，绿灯闪烁报警。8）死区调整功能：如执行器在平衡点振荡，可将死区调大（比如将拨码开关1拨到ON的位置时， 2、 3、 4为不变，则死区为满量程的 15） 。2 基本构成及电路原理21 信号采集及运算电路的构成及原理此部分电路包括单片机 AT89C2051，多路模拟开关 CD4051，AD 转换器 ADC0804 等（图 1） 。600)this.width=600
3、“ border=0211 AT89C2051它是一个封装为 DIP20 的芯片，其内部集成了 8 位 CPU 和 2K 的闪速存储器；128 字节的内部 RAM；15 条可编程的 IO 口线，2 个 16 位的定时器计数器。本放大器中共有两片，一片用于数据采集、运算和控制，另一片用于系统保护和报警。212 CD4051单端 8 通道模拟多路开关。在本例中，仅 X0、X1、X2 三路切换，其余 5 路 X3X7 不参加切换。二进制控制输入端也仅选 A、B 两位，C 接地，因此 4051 可译出（0011）4 种状态，由 2051 控制口的 35、37 控制。允许输入端 INH 端常接地，保持
4、4051 常通。213 ADC0804ADC0804 片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，单通道输入，转换时间为 100s。典型接线如图 1 所示，被转换的电压信号从Vin（）和 Vin（）输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号。模拟地和数字地分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。参考电压可以由外部电路供给，从VREF2 端直接输入。ADC0804 片内有时钟电路。只要在外部“CLKR”和“CLKIN”两端外接一电阻电容即可产生 AD 转换所要求的时钟是片选端是控制芯片启动的输入端是转换结束信号输出端为转换结果读出控制端，当它与同时为低电平时
5、，输出数据锁存器 DB0DB7 各端上出现 8 位并行二进制数码，以表示 AD 转换的结果。214 作用原理来自计算机、调节器或手操器的给定信号IN从模拟开关 4051 的X1 端输入，来自电动执行器的位置反馈信号WF从 4051 的 X2 输入（见图 1） ，它们分别由 4051 的 X 端送到 AD 转换器 0804 的Vin端脚，经 AD 转换为数字信号进入 2051 的端口 P10P17，两信号在CPU 中相减，如 INWFa（a 为死区信号） ，则说明给定信号大于位反信号，表示阀门没有开够，由 2051 的 1P32 送出一高电平给反向驱动器U1（7404）的输入端；反之，如 WFI
6、Na，则说明给定信号小于位反信号，表示阀门开过头了，则由 2051 的 1P33 送出一高电平给反向驱动器 U2（7404）的输入端；U1、U2 的输出端分别送出低电平 K或 K去控制下一级固态继电器输出电路 G1 或 G2，送出一定功率的电流给电动执行器的伺服电机线圈，使其正转或反转。22 保护电路的构成及原理221 输入断路保护电路图 2 中，BG1、BG2、J0 和黄灯组成了输入断路保护电路，其原理是，当输入 4051 的IN及WF信号因断线或故障无信号时，在单片机20511 的口线 1P31 送出低电平，此时 BG1 与 BG2 相继导通，黄灯有电流流过而点亮报警。同时，中间继电器 J
7、0 得电而吸合。在 J02 的作用下，继电器 J1 闭合，使输出控制电路中的常闭触点 J12 断开，切断正反转回路的交流 220V 电源，伺服电机停转，并送出抱闸信号 B，抑制闸门的转动惯量。同时 J01 常开接点也闭合，现场报警。600)this.width=600“ border=0222 固态继电器输出短路和开路保护电路（1）固态继电器输出短路和输出开路的判断由晶体管 BG5、BG6 等元件组成的电路为固态继电器正向回路和反向回路的电流检测电路，我们以正转为例说明其原理。图 2 中，h1 为正转回路的互感器次级线圈，当正转回路有电流流过时，h1 上将感应出电压，经整流、滤波、放大、整形，
8、一个标准的低电平送给 20512 的 2P30，它是0有效信号。20511 送来的1P32 是1有效的正转信号，加至 2P31。2P30 与 2P31 组合起来有几种情况：1 00：表示固态继电器正向回路有电流流过，而输入无给定信号，说明固态继电器短路。2 01：表示固态继电器正向回路有电流流过，而输入有给定信号，说明运行正常。3 10：表示固态继电器正向回路无电流流过，而输入无给定信号，说明运行正常。4 11：表示固态继电器正向回路无电流流过，而输入有给定信号，说明固态继电器开路。（2）固态继电器输出短路和输出开路的保护当固态继电器输出短路时，20512 的 2P17 输出高电平，红灯被点亮
9、报警。同时，2P37 输出低电平，BG3、BG4 相继导通，J1 得电，输出控制电路中的 J12 常闭接点断开，切断固态继电器回路的电源，伺服电机停转。当固态继电器输出开路时，20512 的 2P16 输出高电平，U3 输出低电平，点亮绿灯报警。U3、U4 均为反向驱动器 LS7404。223 硬件复位与“看门狗”电路本放大器选用软硬件复位电路（上电复位、手动复位、看门狗电路） ，使系统更加安全、可靠。3 程序框图图 3 所示为伺服放大器用于信号采集和保护系统的程序框图。600)this.width=600“ border=0600)this.width=600“ border=031 信号采
10、集程序框图信号采集程序应用于 20511。初始化是给 20511 的各端口及各寄存器设置一个初始状态，例如 P311，P320，P330，表示将P3 口的此三位分别设为高、低、低电平，这样一开始不能有信号报警，也不能有正转、反转信号输出。CD4051 多路开关的通道号由 P35、P37 选取，假如为00 ，表示选中 0 号通道，同理， 01、 10、 11分别为 1 号、2 号、3 号通道。P30 先“0”而后1表示输出一个正脉冲用以启动 AD 转换。AD 转换后来自 0 通道的 8 位二进制数送到 P1 口，它是由我们设定的死区范围值。不同的设定将改变变量 a1、a2、a3 的参数。通道号变
11、为 1 时，P1 口的值为 X，它是伺放的给定信号，如 X48（电流值37mA） ，说明信号可能是断开的，这时，P310，给出开路报警信号。如 X48，说明信号正常，采集通道 2 的 Y 值，它即为位置反馈的值，同样程序判断其小于或大于 48 来转到报警或下一步；以XY判断给定与位反的差值，如小于设定的死区范围，伺放将给出停机信号，只有XYa，才判断是 X 大还是 Y 大来决定正转还是反转。32 保护程序框图保护程序加在 20512 上，初始化程序与上述相同。P30 是正转固态继电器有信号输出的标志， 0有效。P31 来自 20511 的 P32，是正转信号， 1有效。程序中取 P30 与 P
12、31 的值进行判断，假如它们都为1 ，说明有正转给定而无正转输出，显然是输出开路，P161，即给出开路报警信号。假如 P30 与 P31 都为0 ，说明无正转给定而有正转输出，显然是输出短路，P171 输出报警，同时，P370，启动保护继电器动作。P30 与 P31 的值如果相异时，放大器运行正常。P32 是反转固态继电器有信号输出的标志， 0有效。P33 来自20511 的 P33，是反转信号， 1有效。程序中取 P33 与 P32 的值进行判断，判断的方法与动作的结果与取 P30 与 P31 的值的情况相同。参考文献：1魏立君，韩华琦CMOS4000 系列 60 种常用集成电路的应用M 北京：人民邮电出版社，19952潘新民微型机过程控制接口技术M 华中理工大学出版社，1986 仪表技术 北极星网站
