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摘要：介紹閥門控制電動執(zhí)行機構(gòu)中的fcf－1智能伺服放大器的功能、構(gòu)成及電路原理，并對放大器的軟件框圖作了剖析，對使用的元器件電路性能也作了簡要介紹。

關(guān)鍵詞：單片機；電動執(zhí)行器；位置反饋；a／d轉(zhuǎn)換

1fcf－1伺服放大器基本功能

1）給定輸入：輸入來自計算機、調(diào)節(jié)器或手操器的給定信號（一般為4～20ma的直流電流）。2）閥位輸入：來自執(zhí)行器閥門開度的位置反饋信號（一般為4～20ma）。3）閥位增加輸出：使正轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器打開，伺服電機正轉(zhuǎn)。4）閥位減小輸出：使反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器打開，伺服電機反轉(zhuǎn)。5）輸入斷路保護：當(dāng)給定輸入電流in或位置反饋電流wf的值小于3ma或斷線時，面板上黃燈點亮報警，同時，系統(tǒng)切斷總電源并送出抱閘信號和報警接點信號。6）輸出短路保護：當(dāng)固態(tài)繼電器輸出發(fā)生故障短路時，紅燈點亮報警，系統(tǒng)切斷總電源并且送出抱閘信號。7）輸出開路保護：當(dāng)固態(tài)繼電器輸出發(fā)生故障開路時，綠燈閃爍報警。8）死區(qū)調(diào)整功能：如執(zhí)行器在平衡點振蕩，可將死區(qū)調(diào)大（比如將撥碼開關(guān)‘1’撥到‘on’的位置時，‘2’、‘3’、‘4’為不變，則死區(qū)為滿量程的1．5％）。

2基本構(gòu)成及電路原理

2．1信號采集及運算電路的構(gòu)成及原理

此部分電路包括單片機at89c2051，多路模擬開關(guān)cd4051，a／d轉(zhuǎn)換器adc0804等（圖1）。

2．1．1at89c2051

它是一個封裝為dip20的芯片，其內(nèi)部集成了8位cpu和2k的閃速存儲器；128字節(jié)的內(nèi)部ram；15條可編程的i／o口線，2個16位的定時器／計數(shù)器。本放大器中共有兩片，一片用于數(shù)據(jù)采集、運算和控制，另一片用于系統(tǒng)保護和報警。

2．1．2cd4051

單端8通道模擬多路開關(guān)。在本例中，僅x0、x1、x2三路切換，其余5路x3～x7不參加切換。二進制控制輸入端也僅選a、b兩位，c接地，因此4051可譯出（00～11）4種狀態(tài)，由2051控制口的3．5、3．7控制。

允許輸入端inh端常接地，保持4051常通。

2．1．3adc0804

adc0804片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，與微處理器兼容，單通道輸入，轉(zhuǎn)換時間為100μs。典型接線如圖1所示，被轉(zhuǎn)換的電壓信號從vin（＋）和vin（－）輸入，允許此信號是差動的或不共地的電壓信號。模擬地和數(shù)字地分別設(shè)置引入端，使數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合造成的干擾。參考電壓可以由外部電路供給，從vref／2端直接輸入。

adc0804片內(nèi)有時鐘電路。只要在外部“clk－r”和“clk－in”兩端外接一電阻電容即可產(chǎn)生a／d轉(zhuǎn)換所要求的時鐘是片選端是控制芯片啟動的輸入端是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端為轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出控制端，當(dāng)它與同時為低電平時，輸出數(shù)據(jù)鎖存器db0～db7各端上出現(xiàn)8位并行二進制數(shù)碼，以表示a／d轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

2．1．4作用原理

來自計算機、調(diào)節(jié)器或手操器的給定信號‘in’從模擬開關(guān)4051的x1端輸入，來自電動執(zhí)行器的位置反饋信號‘wf’從4051的x2輸入（見圖1），它們分別由4051的x端送到a／d轉(zhuǎn)換器0804的‘vin’端腳，經(jīng)a／d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進入2051的端口p1．0～p1．7，兩信號在cpu中相減，如in－wf〉a（a為死區(qū)信號），則說明給定信號大于位反信號，表示閥門沒有開夠，由2051的1p3．2送出一高電平給反向驅(qū)動器u1（7404）的輸入端；反之，如wf－in〉a，則說明給定信號小于位反信號，表示閥門開過頭了，則由2051的1p3．3送出一高電平給反向驅(qū)動器u2（7404）的輸入端；u1、u2的輸出端分別送出低電平k＋或k－去控制下一級固態(tài)繼電器輸出電路g1或g2，送出一定功率的電流給電動執(zhí)行器的伺服電機線圈，使其正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

2．2保護電路的構(gòu)成及原理

2．2．1輸入斷路保護電路

圖2中，bg1、bg2、j0和黃燈組成了輸入斷路保護電路，其原理是，當(dāng)輸入4051的‘in’及‘wf’信號因斷線或故障無信號時，在單片機2051－1的口線1p3．1送出低電平，此時bg1與bg2相繼導(dǎo)通，黃燈有電流流過而點亮報警。同時，中間繼電器j0得電而吸合。在j0－2的作用下，繼電器j1閉合，使輸出控制電路中的常閉觸點j1－2斷開，切斷正反轉(zhuǎn)回路的交流220v電源，伺服電機停轉(zhuǎn)，并送出抱閘信號b，抑制閘門的轉(zhuǎn)動慣量。同時j0－1常開接點也閉合，現(xiàn)場報警。

2．2．2固態(tài)繼電器輸出短路和開路保護電路

（1）固態(tài)繼電器輸出短路和輸出開路的判斷

由晶體管bg5、bg6等元件組成的電路為固態(tài)繼電器正向回路和反向回路的電流檢測電路，我們以正轉(zhuǎn)為例說明其原理。

圖2中，h1為正轉(zhuǎn)回路的互感器次級線圈，當(dāng)正轉(zhuǎn)回路有電流流過時，h1上將感應(yīng)出電壓，經(jīng)整流、濾波、放大、整形，一個標(biāo)準(zhǔn)的低電平送給2051－2的2p3．0，它是‘0’有效信號。2051－1送來的1p3．2是‘1’有效的正轉(zhuǎn)信號，加至2p3．1。

2p3．0與2p3．1組合起來有幾種情況：

1》．00：表示固態(tài)繼電器正向回路有電流流過，而輸入無給定信號，說明固態(tài)繼電器短路。

2》．01：表示固態(tài)繼電器正向回路有電流流過，而輸入有給定信號，說明運行正常。

3》．10：表示固態(tài)繼電器正向回路無電流流過，而輸入無給定信號，說明運行正常。

4》．11：表示固態(tài)繼電器正向回路無電流流過，而輸入有給定信號，說明固態(tài)繼電器開路。

（2）固態(tài)繼電器輸出短路和輸出開路的保護

當(dāng)固態(tài)繼電器輸出短路時，2051－2的2p1．7輸出高電平，紅燈被點亮報警。同時，2p3．7輸出低電平，bg3、bg4相繼導(dǎo)通，j1得電，輸出控制電路中的j1－2常閉接點斷開，切斷固態(tài)繼電器回路的電源，伺服電機停轉(zhuǎn)。

當(dāng)固態(tài)繼電器輸出開路時，2051－2的2p1．6輸出高電平，u3輸出低電平，點亮綠燈報警。u3、u4均為反向驅(qū)動器ls7404。

2．2．3硬件復(fù)位與“看門狗”電路

本放大器選用軟硬件復(fù)位電路（上電復(fù)位、手動復(fù)位、看門狗電路），使系統(tǒng)更加安全、可靠。

3程序框圖

3．1信號采集程序框圖

信號采集程序應(yīng)用于2051－1。初始化是給2051－1的各端口及各寄存器設(shè)置一個初始狀態(tài)，例如p3．1＝1，p3．2＝0，p3．3＝0，表示將p3口的此三位分別設(shè)為

高、低、低電平，這樣一開始不能有信號報警，也不能有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)信號輸出。cd4051多路開關(guān)的通道號由p3．5、p3．7選取，假如為‘00’，表示選中0號通道，同理，‘01’、‘10’、‘11’分別為1號、2號、3號通道。p3．0先“0”而后‘1’表示輸出一個正脈沖用以啟動a／d轉(zhuǎn)換。a／d轉(zhuǎn)換后來自0通道的8位二進制數(shù)送到p1口，它是由我們設(shè)定的死區(qū)范圍值。不同的設(shè)定將改變變量a1、a2、a3的參數(shù)。通道號變?yōu)?時，p1口的值為x，它是伺放的給定信號，如x＜48（電流值＜3．7ma），說明信號可能是斷開的，這時，p3．1＝0，給出開路報警信號。如x＞48，說明信號正常，采集通道2的y值，它即為位置反饋的值，同樣程序判斷其小于或大于48來轉(zhuǎn)到報警或下一步；以｜x－y｜判斷給定與位反的差值，如小于設(shè)定的死區(qū)范圍，伺放將給出停機信號，只有｜x－y｜＞a，才判斷是x大還是y大來決定正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

3．2保護程序框圖

保護程序加在2051－2上，初始化程序與上述相同。p3．0是正轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器有信號輸出的標(biāo)志，‘0’有效。p3．1來自2051－1的p3．2，是正轉(zhuǎn)信號，‘1’有效。程序中取p3．0與p3．1的值進行判斷，假如它們都為‘1’，說明有正轉(zhuǎn)給定而無正轉(zhuǎn)輸出，顯然是輸出開路，p1．6＝1，即給出開路報警信號。假如p3．0與p3．1都為‘0’，說明無正轉(zhuǎn)給定而有正轉(zhuǎn)輸出，顯然是輸出短路，p1．7＝1輸出報警，同時，p3．7＝0，啟動保護繼電器動作。p3．0與p3．1的值如果相異時，放大器運行正常。

p3．2是反轉(zhuǎn)固態(tài)繼電器有信號輸出的標(biāo)志，‘0’有效。p3．3來自2051－1的p3．3，是反轉(zhuǎn)信號，‘1’有效。程序中取p3．3與p3．2的值進行判斷，判斷的方法與動作的結(jié)果與取p3．0與p3．1的值的情況相同。

參考文獻：

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儀表技術(shù)

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