1 引言

執行器在自動控制系統中具有十分重要的作用，它直接實施控制動作，按功能可分為執行機構與調節機構。它是一種現場類儀表，精度、輸出力、抗干擾、防爆以及多種環境的適應性能等都是其主要性能指標。

現場總線控制系統FCS（Field bus Control System）利用現場總線開放、具有互操作性的網絡，將現場各控制器與儀表設備互連，構成控制系統，同時控制功能徹底下放到現場，這樣降低了安裝成本和維護費用。因此，FCS實質是一種開放、具有互操作性、徹底分散的分布式控制系統，已成為21世紀控制系統的主流。

2 CAN總線電動執行器的硬件設計

2．1 系統總體設計

CAN總線電動執行器通過SJA1000和82C250與CAN現場總線通信；通過驅動電路控制伺服電機正/反轉，從而實現閥位控制。為了避免通信過程中數據發生堵塞，該設計采用雙MCU結構，利用雙口RAM作為兩個微控制器獨立訪問的存儲器。其中負責通信的微控制器根據雙口RAM的指定存儲區存儲或讀取數據，并通過CAN現場總線實現通信；而另一個微控制器則通過雙口RAM的信息及信號采集檢測電路實現執行機構控制功能。這兩片微控制器均選用AT89C51。為了保證斷電或其他突發情況下信息不丟失，還增加了一個E2PROM器件24C08。位置傳感器選用有間隙補償性電位器，通過電位器把執行機構輸出軸的機械變化量按比例轉換成電信號，再經A/D轉換后輸入到控制器，參與執行機構的調節、控制，同時送至上位機，實現監控和管理功能。執行機構采用低速伺服電機。減速器采用具有高效行星減速傳動機構，它把伺服電機輸出的高速低轉矩的旋轉運動轉換為輸出軸的大轉矩低速旋轉。

2．2 信號采集檢測電路

CAN總線執行器接收來自上位儀表的4～20 mA模擬信號，或通過現場總線接收上位儀表發送的數字信號，并將與執行機構位置傳感器反饋信號的偏差作為調節依據，使執行機構向消除差值的方向運動，最終達到預定效果。其中輸入A／D轉換器的參數為執行機構位置傳感器信號和電壓信號。因此，A/D轉換器至少應有2個輸入通道。這里選用A／D轉換器AD7705，它有2個模擬通道，可進行2種模擬量的轉換。高精密導電塑料電位器傳感器獲得的相應閥門位置的電壓信號由AD7705的引腳6和7（AIN1和AIN2）輸入。A／D轉換信號采集電路框圖如圖1所示。AD7705的輸出信號直接接至微控制器的RXD（P3.O）端，TXD（P3.1）端則為AD7705提供時鐘信號。因此，A／D轉換器的時鐘由微控制器AT89C51提供。微控制器AT89C51利用串口與AD7705通信，將串口設定為工作方式0，即同步移位寄存器方式。此外，該微控制器通過引腳P1．5控制CS，通過引腳P1．7判斷DRDY。這樣，系統首先選中，則要先清P1．5端口線。接收數據時，首先判斷引腳DRDY電平，若為低電平，則表明已有有效的轉換數據存儲至AD7705的數據輸出寄存器。

2．3 電機驅動控制電路

控制器接收執行機構的反饋開度信號，通過比較輸入信號與反饋信號，產生啟停信號和換向信號。控制開關以固體繼電器為核心，根據單片機發出的啟停和換向信號控制兩個固體繼電器交替工作，從而實現AC單相可逆電機啟停和換向控制。需要注意的是，為了保證伺服電機正反轉換向，在設計控制回路時，要考慮到保護電機的有效運行，避免因動作不協調或電路老化導致電路短路。主回路采取正反轉換向信號互鎖設計，消除正反轉時固體繼電器同時導通的可能性，大大提高電子開關的可靠性。

繼電器1的常閉觸點開關接繼電器2的電源，繼電器2的常閉觸點開關接繼電器1的電源，當單片機驅動伺服電機正轉時，單片機輸出一個低電平到繼電器1，繼電器1通路，繼電器1的常閉觸點斷開，繼電器2被鎖死。同理，繼電器2通路時，繼電器1被鎖死。在控制開關主回路中串入極限位置保護開關，當閥門運轉至極限位置，保護開關常閉點斷開，硬性切斷控制開關主回路，會迫使電動機停止運轉，具有二次保護作用。該系統采用單片機輸出的開關信號直接驅動電動機的直接控制方式。由于驅動電平的不同，電路分為弱電和強電驅動兩部分，兩者通過光耦隔離，伺服電機控制框圖如圖2所示。

2．4 CAN通信接口電路

CAN通信接口電路主要由獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發驅動器82C250和高速光電耦合器6N137組成。微控制器AT89C51控制SJA1000實現數據接收和發送。CAN通信控制接口電路如圖3所示，SJA1000的AD0～AD7連接AT89C51的P0端口，圖中CS接AT89C51的P2．0。P2．0為0時，選中SJA1000，并通過片外寄存器地址對SJA1000執行相應的讀／寫操作。SJA1000的RD／E、WR、ALE／AS分別與AT89C51的對應引腳相連，其INT接AT89C51的INT0，AT89C51采用中斷方式訪問SJA1000。

為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后再與82C250相連，這樣可以實現總線上各CAN節點間的電氣隔離。但應注意的是，光耦部分電路所采用的兩個電源5V和VCC-5V必須完全隔離。電源采用小功率的帶5 V隔離輸出的開關電源模塊。82C250的引腳CANH和CANL通過1只5 Ω的電阻與CAN總線相連。該電阻具有限流保護作用，使82C250免受過流沖擊。為了消除總線上的高頻十擾和電磁輻射，在引腳CANH和CANL與地之間并聯2只30 pF的電容。在引腳CAN總線和地之間還接有防雷擊管，當輸入端與地之間出現瞬變十擾時，防雷擊管的放電具有一定的保護作用。82C250引腳Rs接有1只斜率電阻，可根據總線通信速度選擇系統的工作模式，該電阻大小一般為16～140 kΩ。

2．5 電源電路

整個CAN智能電動執行器系統設計共使用3路電源：第1路主要是向微控制器控制電路、鍵盤顯示、雙口RAM及CAN控制等提供+5 V電壓；第2路是向CAN通信模塊和電機驅動電路的光耦隔離提供+5 V電源；第3路是向電機控制電路繼電器提供+24 V電源。電源器件LD03－10B24和D240505S-2W將交流220 V電壓轉換為電機控制繼電器所需的+24 V電壓，又通過D240505S-2W將+24 V電壓轉換為第1路、第2路所需的+5 V電壓。

整個系統的電源由220 V交流電源提供，因為這是220 V驅動的交流伺服電機，為了使整個電源輸入設計簡潔，可以將其余兩路的所需電源也由交流電源220 V轉換，這樣整個系統的直流電源則由DC-DC轉換電源模塊D240505S-2W提供。D240505S-2W的驅動電流最大可達0．5 A，完全能夠驅動整個電路。

3 系統軟件設計

該系統軟件設計是根據系統功能要求而設計。基地式CAN總線智能電動執行器的軟件程序設計分為：通信端和控制端。采用模塊化設計，使得系統軟件結構更清晰，易于理解，同時便于調試、連接、修改和移植。該系統軟件主要分為電機控制及算法、鍵盤及顯示、CAN總線通信3部分。開發系統使用C語言和匯編語言進行軟件編程，這樣可以縮短開發周期，降低開發成本，而且易于維護系統軟件，提高可靠性。系統控制端程序流程如圖4所示。

電機控制及算法部分則根據現場檢測信號和閥位反饋實現電機正反轉控制，考慮到執行機構動作的延遲，采用不完全微分PID算法。鍵盤及顯示模塊實現系統的參數設置及顯示功能。通信端通過CAN總線實現上位機監控及現場儀表之間的通信。

系統為了具有較好的實時性，通信端接收信息采用中斷控制方式，通信端程序流程圖如圖5所示。其中CANBUS中斷接收子程序是根據SJA1000的中斷寄存器內容做出相應處理，如果是接收中斷，則將數據接收至MCU的內部接收緩沖區并保存至ROM及雙口RAM。CANBUS發送子程序將SJA1000發送緩沖區中的內容通過SJA1000發送給相應的智能節點。

4 結論

基地式CAN總線電動執行機構應用單片微型計算機實現本地PID控制，減少了通訊次數，避免與控制設備通訊所發生的錯誤，并且采用CAN總線技術使系統數據出錯率降低，發生嚴重錯誤時在不影響其他節點的情況下，具有自動關閉功能。經測試表明，該CAN總線電動執行器控制精度高穩定性、可靠性好，而且操作控制簡單。

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