智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能齊全，給工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)行和維護(hù)帶來了極大的便利。然而，目前市場上的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)還無法達(dá)到能同時(shí)滿足適應(yīng)大部分工況條件以及性價(jià)比高的要求，為解決智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的匹配，提出基于多微處理器模塊化設(shè)計(jì)方法，通過不同模塊的組合，可以實(shí)現(xiàn)不同要求的控制功能。將控制系統(tǒng)分三大模塊及其控制軟件，即人機(jī)對話模塊、系統(tǒng)控制模塊(主控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、故障診斷報(bào)警、信號(hào)反饋、系統(tǒng)通信等)、數(shù)據(jù)采集模塊(閥位信號(hào)采集、力矩信號(hào)采集、遠(yuǎn)程開關(guān)量信號(hào)采集、模擬量信號(hào)采集)和系統(tǒng)控制軟件。智能型控制系統(tǒng)通過模塊間協(xié)同工作、合理調(diào)配，實(shí)現(xiàn)了閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的智能化、通用性強(qiáng)、高可靠性和易維護(hù)的要求。

1、多微處理器模塊化設(shè)計(jì)原理

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的人機(jī)對話模塊、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊各自具備一片微處理器，各處理器負(fù)責(zé)完成各模塊的調(diào)度、控制功能，以系統(tǒng)控制模塊為主機(jī)，其余模塊為從機(jī)，通過UART口或I2C串行總線，根據(jù)通信協(xié)議，完成各模塊間的數(shù)據(jù)通信與控制功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2、人機(jī)對話模塊的設(shè)計(jì)

　　人機(jī)對話模塊具備狀態(tài)顯示、參數(shù)組態(tài)、瀏覽、紅外遙控等功能，硬件部分由顯示屏、就地操作按鍵、指示燈、紅外發(fā)射與接收設(shè)備等組成。采用C8051F340單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能。C8051F340的I/O口可以作為就地操作按鍵的輸入口，也可以作為狀態(tài)指示燈的輸出口，完成顯示屏的顯示功能。模塊通過UART口實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，圖2為人機(jī)對話模塊的紅外發(fā)射電路。

圖2 紅外發(fā)射電路

3、信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

　　信號(hào)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)閥位信號(hào)和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集。智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位傳感器主要分為兩種：增量式傳感器和絕對編碼器。增量式傳感器結(jié)構(gòu)相對簡單，信號(hào)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理比較容易，但在主電源斷電情況下，需要電池供電保持閥位計(jì)數(shù)，一旦電池電壓過低或無法供電，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位容易丟失，給現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行帶來不便。絕對編碼器由于每一個(gè)位置對應(yīng)不同的編碼，具有閥位記憶功能，所以無須電池供電，也不會(huì)出現(xiàn)閥位丟失現(xiàn)象，但絕對編碼器對硬件和軟件要求較高，特別是容易出現(xiàn)誤碼，需要進(jìn)行軟件處理才能使用。圖3為增量式傳感器的信號(hào)采集電路。

圖3 閥位信號(hào)采集電路

　　在正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)BMQ_C引腳為低電平時(shí)，三極管Q102導(dǎo)通，V9XX為閥位傳感器供電，當(dāng)閥位發(fā)生變化時(shí)，閥位傳感器輸出兩路正交脈沖，脈沖信號(hào)如圖4所示。

圖4 閥位傳感器脈沖信號(hào)圖

　　信號(hào)采集模塊中通過微處理器的I/O口采集閥位傳感器的脈沖信號(hào)，通過數(shù)據(jù)分析，計(jì)算出當(dāng)前閥位狀態(tài)，然后通過串行總線，將閥位數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)控制模塊，系統(tǒng)控制模塊再將數(shù)據(jù)傳遞到人機(jī)對話模塊，通過人機(jī)界面顯示出當(dāng)前閥位狀態(tài)。

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩可分為機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電子轉(zhuǎn)矩，機(jī)械轉(zhuǎn)矩簡單可靠，依靠轉(zhuǎn)矩開關(guān)的動(dòng)作來判斷轉(zhuǎn)矩是否達(dá)到設(shè)定值，對機(jī)械零部件加工、裝配的要求較高;電子轉(zhuǎn)矩采用電子元器件的彈性形變產(chǎn)生的電壓信號(hào)傳遞轉(zhuǎn)矩值，使用前需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩標(biāo)定，對信號(hào)采集模塊的軟件要求較高。在符合標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)矩要求下，采用機(jī)械轉(zhuǎn)矩即可滿足智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩控制要求。信號(hào)采集模塊可將轉(zhuǎn)矩動(dòng)作信號(hào)傳遞至系統(tǒng)控制模塊，從而控制電機(jī)的開、關(guān)、停操作。

　　智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程狀態(tài)時(shí)，通過開關(guān)量信號(hào)輸入硬件電路，接收開、關(guān)、停指令信號(hào)，控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相關(guān)動(dòng)作。為避免外部信號(hào)干擾，信號(hào)采集模塊通過光耦N109、N110、N111將遠(yuǎn)方開關(guān)量輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)隔離，隔離后的開關(guān)量信號(hào)接入單片機(jī)的IO口。IO口配置為弱上拉、開漏方式。在軟件控制方式中采用“去抖”處理方式，能準(zhǔn)確、及時(shí)采集開關(guān)量輸入信號(hào)，有效避免誤操作，提高電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。為防止由于外部接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致硬件電路損壞，采用二極管VD111，有效避免接線錯(cuò)誤帶來的影響。

4、系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能和故障自診斷報(bào)警功能，并通過串行總線，讀取信號(hào)采集模塊的數(shù)據(jù)信息，處理后再發(fā)送至人機(jī)對話模塊。

　　功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電路實(shí)現(xiàn)硬件互鎖功能，避免觸發(fā)信號(hào)同時(shí)有效導(dǎo)致控制回路紊亂。利用C8051F340單片機(jī)三路IO口作為功率驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)信號(hào)，一路IO口作為觸發(fā)信號(hào)輸出端電源控制信號(hào)，另兩路作為觸發(fā)控制信號(hào)，進(jìn)一步提高觸發(fā)信號(hào)可靠性。IO口配置為推挽方式，低電平有效。采用光耦TLP521-4對觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)隔離，避免觸發(fā)信號(hào)干擾，保證電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

　　系統(tǒng)控制模塊還具備故障自診斷與報(bào)警功能，在判斷出故障現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)故障優(yōu)先級(jí)及安全保證，可采取不同控制方法，選擇保位或運(yùn)行至指定位置，同時(shí)，輸出故障狀態(tài)信號(hào)，并在人機(jī)對話界面顯示故障代碼。