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  • 基於ARM微控製器的CAN總線智能電動執行器的設計
    發布時間:2017-7-12

    1 引言

    電動執行器是工業過程控製中的重要設備,它接收來自調節器的模擬信號(一般是420mA電流信號)或上位機的數字信號,並將其轉換為電動執行器相應的角位移或直線位移輸出,去帶動閥門、擋板等動作,以實現對各種過程參數的自動控製。嵌入微處理器的電動執行器稱為智能電動執行器,當智能執行器與現場總線連接時,智能執行器就成為了現場總線控製係統中的一塊現場儀表,這時它不僅具有執行器的功能,而且還具有控製、運算和通訊等功能,同時可以實現網絡化管理。這類總線型智能執行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護功能完善、適應性廣泛等優點。隨著現場總線技術應用的深入,將給總線型智能執行器帶來廣闊的發展前景。

    2 硬件電路設計

    執行器的控製器由LPC2294單片機及其外圍電路組成,控製器的基本功能是:能夠實時采集閥門的狀態信息,並加以分析、判斷,控製電機正確運行;可以實現智能校準:隻要在閥門的實際的全開和全關位置各按一次鍵即可;為了調試的方便,加入了紅外線調遙控功能;能夠實現相序自動調整和缺相報警;LCD實時顯示電動閥門的開度及係統的工作狀況和故障;通過CAN總線保持與控製中心的通信;自動/手動操作切換;可以選擇多種控製方式:本機/遙控/係統在線。

    2.1 微控製器的選擇

    目前采用的通過在8位或l6位微控製器的智能控製設備、儀器儀表等,僅可完成簡單、低速的數據傳輸,不能滿足工業現場的實時性和可靠性要求,特別在連接請求較多或控製任務較複雜時,實時性較差。因此,選用功能更強的32位微控製器,運行基於特定應用的嵌入式實時操作係統進行合理的任務調度,滿足工業現場對實時性和可靠性的要求。本文選用Phlips公司的帶有CAN接口的ARM32位嵌入式RISC微控製器LPC2294

     

    LPC2294是基於一個支持實時仿真和跟蹤的16/32ARM7TDMI-SCPU,並帶有256K字節的嵌入的高速Flash存儲器。它有極低的消耗,多個32位定時器,8lOA/D轉換器,4路先進的CAN通道,PWM通道,多達9個外部中斷,76112GPIO以及內置了寬範圍的串行通信接口(112c接口,2SPI接口和2UART接口),具有高達30MHz的工作頻率,很適合用於工業控製和總線係統。該芯片加上少量的外圍電路,就可組成完整的電動執行器控製器,電路結構非常簡單。

    2.2 相序同步及缺相保護電路

    為了防止因為接線錯誤而損壞閥門,本文設計了自動相序調整裝置,無論接線如何,始終保持三相電機有正確的電源相序。圖3為自動相序同步器電路,三相電源供電,繼電器采用通用小型大功率繼電器與電容c和電阻連接為星形,並按圖示順序依次接到三相電源上。若所接三相電源的相序自上而下好為順向相序,繼電器K線圈電壓將達到吸合值以上,觸點組K-1-2中的常開觸點閉合。這樣,接通順向相序的三相電源。若所接三相電源的相序為逆向,繼電器線圈電壓將低於釋放電壓,觸點組K-1-2的常閉觸點保持閉合,輸入電源線的上與下兩根線經過-1-2觸點交換位置後接到輸出端,輸出的仍是順向順序。

     

    微處理器還能不斷地監視電源的三相,如有一相或多相丟失,可以切斷電路或停到緊急位置,同時獲得現場和遠程報警。其原理如圖4所示。穩壓管的穩壓值位9v,當三相電源為火線時,變壓器輸出為9V正弦波,峰值為12.4V,光耦工作,L~294P2.1P2.2有信號,若為正向序,P2.2的信號將會比P2.1的信號晚6.7ms;若為負向序,P2.2的信號將會比P2.1的信號晚26.7ms;若為斷相,則P2.1P2.2將會有采不到信號的情況,由此可以對錯相和缺相進行檢測和報警。

     

    2.3 LCI)顯示模塊

    為了提供更好的顯示功能,可以實時顯示閥門的運行狀況,故障,報警,就地/遠程的控製模式等,我們選用了Philips公司的PCF8576CT帶有12C總線接口的LCD驅動/控製器。

    PCF8576Cq'4各背極輸出和40個顯示段輸出,最多可以驅動160LCD顯示段,可以采用級聯的方法,通過3位子地址(A0.A1A2)和已編程的12C總線從地址SA012C總線可以識別l6PCF8576。當級聯時各個PCF8576是由同步信號線#SYNC保持同步的。單個PCF8576LPC2294的接線圖。

     

    2.4 智能校準

    對閥位開度和閥位輸出電流的“調零”和“調滿”校準時,無需調整電位器,無需用基準測量儀表進行複雜的調試,隻要在閥門的實際的“全開”和“全關”位置各按一次鍵,便以新設定的區間自動準確的修正位DC420mA。零位、滿度調整方法:先將執行機構的反饋調到實際零位,此時的測量值u14mA(零位電流)對應,再將執行機構的反饋調到實際滿度位置,此時為測量值u120mA(滿度電流)。

     

    對反饋信號的全開和全關的反饋值的輸入由兩個開關進行按鍵輸入,把采到的信號送至ILPC2294A/D轉換器ADOAD1口,給定信號由AD2口進入,經過計算的反饋值與給定值進行比較和處理以及送至LED顯示。

     

    2.5 紅外通用接口模塊

    為了調試的方便以及適合在環境惡劣的情況下的使用,本文設計了通用的紅外線接口,它能夠支持紅外遙控和數據通信。它支持IrDA協議,能夠方便的與各種符合協議標準的設備進行通信。該模塊由HS.DL7001編解碼芯片和HSDL3600的紅外收發芯片組成。HS.DL7001與控製器通過串口相連。

     

    HSDL7001符合IrDA協議的,可驅動IrDA兼容的收發器,最高傳輸速率達到11502Kbit/s,他的內部有一個SIR編碼器和一個SIR解碼器,支持內部是中(外接3.684MHz晶振)和外部16XCLK輸入兩種模式。當使用內部時鍾時,波特率可通過A0.A1A2進行調整。

    HSDL3600支持9.6Kbps4Mbps的傳輸速率,本文使用SIR模式,有效通信距離為1.5m,適用於一般的紅外通信中。

    2.6 總線通信接口

    由於LPC2294本身帶有CAN總線的接口功能,大大方便了設計,可以連至CAN總線;另外為了增加執行器的通用性,設計可選的了RS485接口。

    2.7 保護

    本設計提供了多種保護功能和自校正功能。保護分為硬件和軟件兩種實現方式,在硬件上實現的有:限位,過力矩,過流,過溫等;軟件上實現的有斷信號,閥門卡死,換向延時保護,位置反饋信號故障,缺相保護。在不同故障出現的情況下,控製器能夠按照檢測故障的位置,同時實現自校正,並且在意外情況出現時能構控製閥門停在緊急位置。

    3 係統軟件設計

    軟件設計分成通信,控製和管理三部分。其中通信程序完成Devicenet協議規範所規定的具體任務,IrDA協議的紅外遙控以及RS232接口的通汛功能。Devicenet屬於基於事件的網絡,采用通訊程序對事件狀態的輪詢和CAN中斷相結合來實現設計。電動執行器要傳送的數據有閥門的實際開度和各種參數,故障報警時的數據等,在上位機向電動執行器發出請求數據要求且電動執行器收到數據時,電動執行器將現場采集的數據打包發送給上位計算機。當現場出現故障時,電動執行器則不等上位計算機發出請求數據要求,就將故障數據發送。電動執行器可以接收來自上位機的控製信息,進行相應的動作;紅外遙控可以實現對執行器的力矩值,開關限位,零一滿位,死區,控製以及顯示的設定

    控製的任務是對過程變量進行采樣,數據處理以及根據可能的算法和控製方式進行計算和輸出等。由於電動機的慣性,位反信號的滯後等原因,在控製算法中采用了帶自調整函數的模糊控製器來實現對直流電機轉速較為精確的控製。但因該模糊控製器輸出的控製變量是離散的,故本係統又引進了二元函數的l_agrange插值算法,以便獲得連續精確的控製變量,從而消除了控製器的調節死區和靜差。修正函數的選擇:當偏差大時,對偏差的影響給予較大的權重,以盡快消除偏差,提高響應速度;當偏差較小時,為避免係統的超調,對偏差變化的影響給予較大的加權,以盡快進入穩態。

     

    管理程序部分包括lED顯示,管理工作方式,報警燈指示,處理用戶按鍵的掃描和響應,對係統的掉電保護,執行中斷服務子程序和對係統自身的自診斷過程。

    為了便於編寫,調試,修改和增刪,本係統采用模塊化的程序設計方法,主程序進作為初始化,條件判斷和子程序調用的功能。

    4 結束語

    基於ARM核的L294為控製核心的CAN總線智能電動執行器,它具有以下特點:

    1)電路簡單,元件數少,實現了機電一體化結構,可靠性高,接線方便。

    2)具有高智能化和高精度的係統控製功能,控製任務執行器的微處理器來完成,采用了帶自調整函數的模糊控製器,引進了二元函數的l_agrange插值算法,以便獲得連續精確的控製變量,提高係統的控製精度。

    3)先進的通信功能:可以通過現場總線上位機通信,使得遠程維護和管理成為可能;可以通過紅外遙控係統與遙控器通訊,使該電動執行器的調試更加方便。

    4)更完善的自身保護和係統保護功能:當外電源掉電或者其他緊急情況出現時時能自動利用後備電池驅動執行機構,使閥門處於預先設定的安全位置。當電源、電機,機械部件,控製信號,通訊或其它方麵出現故障時,都會自動采取保護措施,以保證係統本身及生產過程的安全可靠。

    5)具有智能化的自診斷功能,以幫助快速識別故障原因。對於執行器的故障,智能執行器可以盡快的識別,這會增加係統可靠性並延長設備壽命。清晰的狀態報告完全可以便維護人員在執行器發生損壞前就采取有效措施,避免工廠停車維修。

     

    產品分類
    關於上海AG集團
    上海AG集團是機械電子工業部重點企業之一是上海市市級先進企業上海市儀表局文明單位本廠主要產品有電動執行機構、雙波紋管差壓計、衝量流量計三大類我國第一台電動執行機構第一台雙波紋管差壓計第一台衝量流量計均誕生在本廠。產品廣泛用於電站、化工、油田、冶金等工業部門的自動控製、自動檢測和計量,部分產品已配套出口進入國際市場。本廠技術力量雄厚,擁有相當數量的高、中級科技人才,具有一定的科研和新產品開發能力。本廠擁有多台主要生產設備和多台專業設備,還有曾榮獲市儀表局技術革新一等獎的全國第一條電動執行機構裝配流水線。本廠十分注重產品質量,全廠配備了多台產品測試設備並有一支質量管理和質量檢驗專業隊伍,近.... 更多


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