本文所設計的全數字電動執行器，是在湘儀電子電器設備廠的9610R系列的全電子式電動執行器的電機驅動電路基礎上所做出的進一步的改進。我們將控制部分用基于80C196單片機的數字控制代替原有的模擬控制，以提高具控制的精度與運行的可靠性。同時，為方便調試，增加了紅外遙控的功能和基于CAN總線的通信功能，以適應現代工業控制的需要。

1 原全電子式電動執行器的特點

原9610R系列的全電子式電動執行器是以220V交流單向電源作為驅動電源，驅動電機采用單向交流電機，位置反饋采用高性能導電塑料電位器。

伺服放大器的原理如圖1所示。

①當UY=0時，

K_=Uo/Ux=-［（R4+R5）/R5］×（R6/R1）

②當Ux=0時，

K+=Uo/UY=［R3/（R2+R3）］×［（R4+R5）/R5］×（1+R6/R1）

根據線性疊加原理，Uo=K+UY+K_UX。

由上可知，由于電阻很難做到完全匹配，所以原9610R電動執行器存在著電機正反轉不對稱的問題。電機驅動電路如圖2所示。

圖2中，Uo為從伺服放大器來的電壓信號，當Uo＞0.7V時，電機正轉；當Uo＜-0.7V時，電機反轉。C1為控制電機制動的電容。

重新設計的全數字電動執行器對電機的驅動電路進行了改進，用±12V的開關量信號的時間長短來控制電機的正反轉，并實現了電動執行器的制功與反向截止功能。新的電機驅動電路如圖3所示。

圖3中，Ukp和Ukn分別為80C196的兩個高速輸出引腳，T2-1/T2-2、T3-1/T3-2、T4-1/T4-2、T5-1/T5-2、T6-1/T6-2、T7-1/T7-2分別為6個光電隔離器。當Uk為+5V高電平時，T2-1/T2-2導通，從而T*-1/T6-2導通使電機正轉；當Uk由高電平到低電平的瞬間，T4-1/T4-2瞬間導通，使得T7-1/T7-2瞬間導通，電機瞬間反轉，電容放電結束后電機停止；同理，當Uk為0V低電平時，電機反轉。這樣便實現了電機正反向控制。

系統輸出與驅動電路之間完全實現了光電隔離，這樣可提高系統的抗干擾能力和可靠性。

2 控制系統結構

以80C196KC單片機為核心的全數字電動執行器的控制系統結構如圖4所示。圖4中，除80C196KC單片機外，還選用了X25043實現掉電保護功能，以MAX7219驅動LED數碼管顯示閥位的給定值與反饋值以及閥位的狀態與控制方式；同時，以改進的4～20mA恒流電路直接將閾位反饋信號轉換成4～20mA的信號送至室內模擬二次表顯示，以保證其模擬與數字控制的兼容性。利用80C196KC內部的A/D轉換口，將閥位反饋與閥位模擬給定信號轉換成10位的數字信號，用軟件判斷閥位故障（堵轉，超限），進行故障處理（報警或停機），在控制輸出端與故障處理端用MOC3061光電隔離將單片機系統與電機驅動電路隔離開來，達到抗干擾的目的。

選用1838紅外遙控接收解碼一體化集成芯片，接收來自遙控器的紅外遙控信號。CAN控制器采用Philips的SJA1000集成芯片，CAN總線驅動選用82C250集成芯片，在SJA1000與CAN總線驅動82C250之間用6N137快速光隔進行光電隔離處理，與單片機接口實現單片機與上位機的通信功能。

各部分的主要硬件電路介紹如下。

（1）改進的4～20mA恒流電路

整個恒流電路，由1片集成的4通道運放LM324和6個精密電阻、1個可調電阻、1個瓷片電容及1個二極管組成，電路結構非常簡單，電路如圖5所示。圖5中，R1=R2=R3=R4=R5=100kΩ，R6=200Ω，R7為0～100Ω可調電阻。

從圖5電路可知：在R2、R3、R4、R5這四個電阻匹配得比較好的情況下，U1-U2=U1，通過調節R7使得R6+R7=250Ω，從而Io=U1/250Ω達到使1～5V電壓轉換成4～20mA的目的，且不論輸出端的負載如何變化，這種關系都不會發生變化，達到恒流的目的。為為使該恒流電路可帶的負載盡量大，集成運放LM324的電源最好用+18V電源。

（2）紅外遙控接收電路

作為電動執行機構，在工業過程控制應用時，常常會遇到安裝位置不便于調試的情況。采用紅外遙控調可以說是一個很好的解決方案，可以免去常規調試所需要做的一些工作，比如打開控制盒蓋進行調試線路更改等等。紅外遙控接收芯片采用紅外遙控接收解碼一體化集成芯片1838。電路如圖6所示。

圖6中，電阻和電容組成去耦電路，以抑制電源干擾；除此以外不需要任何外接元件，中心頻率為38kHz。但是，由于1838集成芯片的增益高且不可調，沒有屏蔽，特別容易受到外界的干擾，因此必須采取屏蔽措施。最好的辦法就是利用金屬材料做一個屏蔽盒，將1838裝入，只留紅外接口在外。

我們選用一種通用紅外遙控器作為電動執行機構的調試裝置。80C196KC單片機首先將遙控器各按鍵的命令碼測出，然后對它們分別賦予我們所需要的調試命令，這樣就可使開發周期大大縮短。

（3）上下位機通信

CAN（Cantrol Area Network）是控制局域網絡的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，廣泛應用在離散控制領域。其信號傳輸介質為雙絞線。通信速率高達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/5kbps，掛接設備最多可達110個。

CAN的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉的功能，以切斷節點與總線的聯系，使總線上的其它節點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN總線通信接口電路如圖7的示。

80C196KC的AD15端口作為SJA1000的片選信號，故CAN控制器SJA1000所占用的地址為：8000H～80FFH。使用CAN總線收發器PCA82C250目的是進一步提高CAN總線的驅動能力。它的工作模式由RS控制引腳來提供，取決于斜率電阻（200kΩ可調電阻的阻值）。

上位機通過一塊華控的公司的HK-CAN30B PCI總線非智能隔離型通信板，可對工業現場具有CAN通信接口的儀表和控制設備進行監控。

（4）掉電保護和抗干擾措施

系統實現現電保護的元件采用Maxim公司的X25043。X25043有三種常用的功能：看門狗定時器、電壓監控和E2PROM，組合在單個封裝內。X25043對于要求電路板空間盡可能小的該系統來說是非常適用的，電路如圖8所示。

X25043的看門狗定時器對微控制器80C196提供了獨立的保護系統，可選超時周期有：1.4s、600ms、200ms，也可禁用。當系統故障時，在超出所選的超時周期以后，X25043看門狗將以RESET信號作出反應，使系統復位。利用X25043低VCC檢測電路，可以保護系統使之免受低電壓情況的影響。當VCC降到最小VCC檢測電平時，RESET變為低電平，給系統復位，直到VCC上升到最小VCC檢測電平200ms為止。此外，X25043還具有512×8位串行E2PROM，使得本系統無須另外擴展數據存儲器RAM。

系統的抗干擾措施包括硬件措施和軟件措施。硬件上：①在輸入和輸出通道采用光電隔離來進行信號傳輸，電機驅動電路上采用光電隔離器MOC3061，在上下位機通信電路上采用快速光隔6N137；②在每一個集成電路芯片都安置一個0.01μF的陶瓷電容，以消除大部分高頻干擾；③模擬地與數字地分開；④在CPU抗干擾措施上，除了配置掉電保護電路外，還配置了人工復位和自動上電復位電路。軟件上：①指令冗余，在一些雙字節和三字節指令之后插入兩條NOP指令，以保證跑飛的程序迅速納入正確的控制軌道；②利用軟件陷阱強行將捕獲到的程序引向對程序出錯處理的程序；③啟用80C196KC內部監視定時器（watchdogtimer）；④對A/D輸入信號采取軟件數字濾波。

3 系統的軟件設計

本系統程序框圖如圖9所示。首先，是程序的初始化，包括對硬件和變量的初始化。然后，程序判斷全局變量RUN，若RUN=0，表示程序終止運行，則跳轉到程序的末尾復位看門狗，隨后再跳轉到程序的前面，判斷RUN標志，循環執行；若RUN≠0，則程序執行主循環，再復位看門狗。這樣，通過設定RUN變量來控制程序的執行。

在中斷程序程序中只處理基本的操作，如數據的輸入和輸出等；一些復雜的數據處理，如輸入通道的軟件濾波等等，都放在主循環里面處理。在主程序里，給每一個斷分配一個全局變量作為中斷標志，當有中斷發生時，對此標志置1。在主循環里，程序依次判斷每個標志位，來決定是否要執行相應的子程序，即過程或函數。在主程序中處理完相應的中斷服務后，要對對應的中斷標志清零。

主程序的功能包括：確定閥位和閥位狀態、閥位和閥位狀態的LED顯示、閥位控制輸出、判斷閥是否堵轉以保護電機避免電機過熱、紅外外遙控命令解碼和遙控命令控制輸出。在閥位控制輸出上，采用以控制電機正反轉的時間來控制閥位，將A/D采樣的周期控制得非常短，如10ms，甚至更短。以這產的周期來控制電機的動作，在要求的閥位0.5%精度范圍以內，保持電機不動作，以保證閥位控制的準確性以及避免閥位來回震動。

4 結論

通過對9610R系列全電子式電動執行器電機驅動電路和4～20mA恒流電路的改進，使執行器在模擬控制時的運行精確性和可靠性有了進一步的改善。提高了控制精度。它的智能化，使得遠程維護成為可能；它的遙控系統的開發，使該電動執行器的調試更加方便。