新型CAN智能电动执行器的设计|智能集成电动执行器
在工业控制系统中，电动执行器是电气单元组合仪表中非常重要的执行单元。它由控制电路和执行机构组成，两者在电路上完全独立。它能接收调节器发出的电气控制信号，将其线性转换成机械角度或线性位移，并利用它来操纵风门、阻尼器、阀门等调节机构，实现自动控制。近年来，随着微电子技术和控制技术的飞速发展，电动执行器也得到了迅速发展，尤其是国外一些厂家近年来陆续推出了带现场总线通信协议的常规智能电动执行器，而CAN智能电动执行器是最有前景的一种。
本文介绍的CAN智能电动执行器采用无刷DC电机控制，控制精度高，实现了数字式阀位检测，可以提高阀位测量的精度和可靠性，可以替代目前常用的电位器和差动变压器的模拟测量方法。
控制电路的硬件设计
CAN智能电动执行器的原理结构如图1所示。
整个电路主要由五部分组成:基于单片机P89C58的主机部分、由SJA1000、82C250和光电隔离电路组成的CAN总线控制与接口部分、由无刷DC电机专用控制芯片MC33035组成的电机控制部分、阀门位置检测部分和LCD显示部分。
1 CAN总线和接口部分
CAN总线控制和接口如图2所示，主要包括独立的CAN通信控制器SJAl000、CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。单片机P89C58首先初始化SJA1000，控制SJA1000实现数据通信任务。SJA1000的ADO~AD7接89C52的P0口，CS接89C52的P2.0口，其他引脚对应连接。
为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0不直接与82C250的TXD和RXD相连，而是通过高速光耦6N137与82C250相连，从而很好地实现了总线上CAN节点之间的电气隔离。82C250与CAN总线的接口也采取了一定的安全和抗干扰措施。在其CANH和CANL引脚与CAN总线之间串联一个5ω电阻，可以起到一定的限流作用，保护82C250免受过流冲击。小电容也可以并联到CANH和CANL引脚，以滤除总线上的高频干扰，防止电磁辐射。82C250的Rs引脚接一个斜坡电阻，可以根据总线的通信速度适当调整，一般在16到140 kω之间。
2电机控制电路
电动执行机构中的电机控制芯片采用Anson公司开发的高性能第二代单元无刷DC电机控制器MC33035。控制器包含一个转子位置解码器，可用于正确的整流时间和一个参考水平，可补偿传感器的温度。同时，它还具有频率可编程锯齿振荡器、误差信号放大器、脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶部驱动输出和三个大电流图腾柱底部输出，非常适合驱动功率MOSFET。电机控制电路的原理模块如图3所示。
电机控制电路的功能包括PWM开环速度控制、使能控制和正反转控制。利用4-10位解码器/驱动器74LS145的功能实现电机的速度控制，信号由单片机P89C58给出，通过分压电路提供给引脚速度电压。
电机的使能控制和正反转控制信号也由单片机控制，单片机向89C2051发送电平信号，经电平转换后输出到MC33035的相应引脚，控制电机的工作状态。
3阀位检测电路和液晶显示
为了实现阀门位置的数字化检测，A/D转换电路采用ADI公司的16位∑-△(电荷平衡)A/D转换器AD7705。AD7705内置一个前端模拟调整电路，由一个缓冲器和一个增益可编程放大器(PGA)、一个σ-δ调制器和一个可编程数字滤波器等组成。它可以将传感器不同摆幅范围内的信号直接放大到A/D转换器满量程电压附近，然后进行A/D转换，从而实现非线性16位无错数据输出，精度为0.003%。它的增益和数据输出更新速率可以编程，输入模拟缓冲器、自校准和系统校准模式也可以选择。通过外置高精度导电塑料电位器传感器，将参考电压值分压得到的电压值反映阀位值。
该系统采用信利公司生产的128×64点阵液晶，其所有控制器、扫描电路和显示RAM集成在带LED背光的液晶屏背面。该模块采用单电源供电，由大规模点阵显示控制器KS0107、LCD阵列驱动电路KS0108、显示存储器和LCD显示屏组成。
智能执行器的软件设计
软件设计主要包括三个方面:CAN总线通信模块、电动执行器控制和液晶显示。
CAN总线的通信部分可以对SJA1000进行初始化，初始化完成后返回正常工作状态，通过总线将执行机构的操作传输到上位机，操作人员可以从上位机发出控制指令来操作执行机构。
电动执行机构的控制部分主要实现阀门的位置控制功能，也可以通过控制电机的转速来控制阀门的关闭速度。液晶显示部分主要显示阀门的阀位和执行机构的工作状态，也可以显示上位机发送给执行机构的控制信号。
系统的程序流程如图4所示。