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一種智能型伺服放大器的設(shè)計
王金喜（山西大學工程學院，山西太原030013）
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
1 FCF－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）。
2．1．1 AT89C2051
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。
2．1．2 CD4051
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。
2．1．3 ADC0804
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，當正轉(zhuǎn)回路有電流流過時，h1上將感應出電壓，經(jīng)整流、濾波、放大、整形，一個標準的低電平送給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 硬件復位與“看門狗”電路
本放大器選用軟硬件復位電路（上電復位、手動復位、看門狗電路），使系統(tǒng)更加安全、可靠。
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