CN203549065U

CN203549065U - 一种隔离型数字式电动执行器控制器

Info

Publication number: CN203549065U
Application number: CN201320722259.8U
Authority: CN
Inventors: 马良玉; 宋胜男; 马云龙; 刘长良; 刘卫亮; 林永君
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-11-17
Filing date: 2013-11-17
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2023-11-17

Abstract

一种隔离型数字式电动执行器控制器，它包括单片机、阀位输入信号转换电路、驱动电路、阀位信号反馈电路和电流测量电路，所述阀位输入信号转换电路的输入端接控制计算机输出的电流信号，其输出的电压信号接单片机的输入端口，所述驱动电路的输入端接单片机的输出端口，输出端接电动执行器电机；所述阀位信号反馈电路的输入端接电动执行器的阀位传感器，输出端接单片机的输入端口，所述电流测量电路的输入端与电动执行器的电机连接，输出端接单片机的输入端口。本实用新型实现了电动执行器的智能控制和不同功能的电路之间的电气隔离，具有功能齐全、抗干扰能力强、控制精度高、工作可靠、体积小巧、成本低廉、安装调试方便等优点。

Description

一种隔离型数字式电动执行器控制器

技术领域

本实用新型涉及一种用于控制阀门电动执行器的电路，属于控制技术领域。

背景技术

目前，阀门电动执行器已在电力、冶金、石油、化工等领域得到广泛应用，这就对电动执行器的运行可靠性提出了更高的要求。国产的电动型仪表中执行单元由ZPE伺服放大器和DJK电动执行机构组成，其控制精度不高、功能不够齐全，而且调试复杂、故障率高，不能满足现代工业控制的要求。国外的某些电子式执行机构虽然功能比较齐全，但是仍然有些不足，如不同功能的电路之间没有实现完全的电气隔离，抗干扰能力较差；在电机过流保护方面利用电动执行机构上的行程开关和限位开关来判断电机是否堵转，不仅不能及时准确地判断电机是否由于堵转而过流，而且行程开关和限位开关的安装调试非常麻烦。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种功能齐全、抗干扰能力强、控制精度高、工作可靠、安装调试方便的隔离型数字式电动执行器控制器。

本实用新型所述问题是以下述技术方案实现的：

一种隔离型数字式电动执行器控制器，构成中包括单片机、阀位输入信号转换电路、驱动电路、阀位信号反馈电路和电流测量电路，所述阀位输入信号转换电路的输入端接控制计算机输出的电流信号，其输出的电压信号接单片机的输入端口，所述驱动电路的输入端接单片机的输出端口，输出端接电动执行器电机；所述阀位信号反馈电路的输入端接电动执行器的阀位传感器，输出端接单片机的输入端口，所述电流测量电路的输入端与电动执行器的电机连接，输出端接单片机的输入端口。

上述隔离型数字式电动执行器控制器，所述阀位输入信号转换电路包括第一三极管、第一电阻、第一模拟光耦芯片和三个运算放大器，第一三极管的发射极经第一电阻接控制计算机的输出端，集电极经第一模拟光耦芯片内部的发光二极管接地，第一运算放大器的两个输入端分别接第一模拟光耦芯片的第一光敏二极管的两端，其输出端接第一三极管的基极；第二运算放大器的两个输入端分别接第一模拟光耦芯片的第二光敏二极管的两端，第三运算放大器接成电压跟随器，其输入端接第二运算放大器的输出端，输出端接单片机的AD0端口。

上述隔离型数字式电动执行器控制器，构成中还包括阀位输出信号转换电路，所述阀位输出信号转换电路包括第二模拟光耦芯片、第一二极管、两个三极管、四个运算放大器和六个电阻，第二三极管的集电极接地，发射极依次经第二模拟光耦芯片内部的发光二极管和第二电阻接电源正极，第四运算放大器的两个输入端分别接第二模拟光耦芯片的第一光敏二极管的两端，其输出端接第二三极管的基极；第五运算放大器与第三电阻和第四电阻接成比例放大器，其输入端接单片机的AD1端口，输出端经第六运算放大器构成的电压跟随器接第二模拟光耦芯片的第一光敏二极管的正极，第七运算放大器的两个输入端分别接第二模拟光耦芯片的第二光敏二极管的两端，其输出端接第三三极管的基极，第三三极管、第五电阻、第六电阻依次串接在阀位电流信号的输出回路中，第一二极管与第七电阻串联连接后一端接第五电阻与第六电阻的串接点，一端接第三三极管的集电极。

上述隔离型数字式电动执行器控制器，所述电流测量电路包括电流传感器、第八运算放大器、场效应管、电容器和第二二极管，所述电流传感器接在电动执行器电机的供电回路上，第八运算放大器接成电压跟随器，其输入端接电流传感器的输出端，输出端经第二二极管接单片机的AD3端口，所述电容器接于单片机的AD3端口与地线之间，所述场效应管并接在电容器上，其控制极接单片机的输出端口。

上述隔离型数字式电动执行器控制器，构成中还包括数字信号输入输出电路，所述数字信号输入输出电路包括数字编码器、拨码开关、按键和发光二极管，它们分别接单片机的不同I/O端口。

上述隔离型数字式电动执行器控制器，构成中还包括通讯芯片，单片机通过通讯芯片与上位机交换信息。

所述阀位传感器采用塑料电位器。

本实用新型以单片机为核心部件，实现了电动执行器的智能控制，而且不同功能的电路之间通过模拟光耦芯片进行电气隔离，具有功能齐全、抗干扰能力强、控制精度高、工作可靠、体积小巧、成本低廉、安装调试方便等优点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的电原理框图；

图2是阀位输入信号转换电路的电原理图；

图3是阀位输出信号转换电路的电原理图；

图4是电流测量电路的电原理图。

图中各标号为：U1、单片机，U2、电流传感器，G1、第一模拟光耦芯片，G2、第二模拟光耦芯片，F1～F8、第一运算放大器～第八运算放大器，T1～T3、第一三极管～第三三极管，Q、场效应管，D1、第一二极管，D2、第二二极管，C、电容器，R1～R7、第一电阻～第七电阻，LED、发光二极管，PD1、第一光敏二极管，PD2、第二光敏二极管。

具体实施方式

参看图1，来自计算机的控制信号I1为4-20ma电流信号，此信号代表目标阀位信号，如4ma代表“零位”（阀门开度为零），20ma代表“满位”，I1通过阀位输入信号转换电路转换成0.8-4V的电压信号V1，此阀位输入信号转换电路是用模拟光耦实现的，实现了电气完全隔离。阀位的反馈信号V2由阀位信号反馈电路采集和提供，单片机U1读取V1和V2信号，然后根据二者的大小计算并输出电动执行器的控制信号，使执行器的电机正或转反转，实现阀门的开大和关小。此装置同时提供一路阀位输出信号I2，也同样为4-20ma的电流信号，这个电流的产生原理如下：单片机U1根据阀位信号反馈电路反馈回来的电压值的大小，利用单片机U1的PWM功能和硬件电路（PWM调压器）产生对应的0.8-4V电压信号，然后通过阀位输出信号转换电路进行V/I变换，得到对应的4-20ma电流信号。其中，阀位输出信号转换电路包括PWM调压电路和V/I转换电路。V/I转化电路也用到了模拟光耦，实现了电气隔离。数字信号输入输出电路用于控制器调试时各个参数的调整以及状态显示。

本实用新型为全数字控制器，输入信号和输出信号利用模拟光耦进行I/V以及V/I转化，成本低，隔离效果好，而且能够及时准确地判断电机是否由于堵转而过流。

参看图2 ，此电路为图1中阀位输入信号转换电路的原理图，第一模拟光耦G1的内部有一个发光二极管LED和两个光敏二级管PD1、PD2，当电流流过LED时，由于光耦的结构，PD1和PD2会接收到相等的光照，因此产生相等的电流，PD1上的压降通过第一运算放大器F1控制第一三极管T1的基极电压，通过控制基极电流实现对流过LED的电流的反馈补偿，使得的PD1上和PD2上的电流稳定且一致。PD2上的压降通过第二运算放大器F2放大得到一个电压，经过由第三运算放大器F3组成的电压跟随器得到最终的转换电压V1。整个电路实现了I/V转换，实现了输入与输出电路的电气连接，而且完全隔离，提高了电路的可靠性。

参看图3，此电路为图1中阀位输出信号转换电路的原理图，首先单片机U1通过读取阀位反馈信号电压值，调整PWM占空比并通过第五运算放大器F5、第三电阻R3、第四电阻R4组成的比例放大器和第六运算放大器F6构成的电压跟随器得到与阀位反馈信号对应的电压信号，然后通过第二模拟光耦G2以及第四运算放大器F4、第七运算放大器F7、第三三极管T3、第五电阻R5-第七电阻R7、第一二极管D1组成的V/I转换电路将电压信号转换成电流信号。

参看图4，此电路用于测量电动执行器电机工作电流的峰值，电机工作电流Iac流过电流传感器U2得到一个正弦电压信号，该信号通过第二二极管D2向电容器C充电，在一个正弦波周期内电容器C被充电至正弦波信号的峰值电压，单片机U1也就测得了相应电流的峰值。单片机U1测量完一次峰值电压后，通过RD0端口输出控制信号，使场效应管Q导通，将电容器C上的电压释放，然后进行下一次的峰值的测量。

本控制器的单片机U1采用PIC16F877A，两个模拟光耦为HCNR201 通讯芯片为MAX485+串口转蓝牙模块，电流传感器U2型号为ACS712ELCTR-05B。

Claims

1.一种隔离型数字式电动执行器控制器，其特征是，它包括单片机（U1）、阀位输入信号转换电路、驱动电路、阀位信号反馈电路和电流测量电路，所述阀位输入信号转换电路的输入端接控制计算机输出的电流信号，其输出的电压信号接单片机（U1）的输入端口，所述驱动电路的输入端接单片机（U1）的输出端口，输出端接电动执行器电机；所述阀位信号反馈电路的输入端接电动执行器的阀位传感器，输出端接单片机（U1）的输入端口，所述电流测量电路的输入端与电动执行器的电机连接，输出端接单片机（U1）的输入端口。

2.根据权利要求1所述的一种隔离型数字式电动执行器控制器，其特征是，所述阀位输入信号转换电路包括第一三极管（T1）、第一电阻（R1）、第一模拟光耦芯片（G1）和三个运算放大器，第一三极管（T1）的发射极经第一电阻（R1）接控制计算机的输出端，集电极经第一模拟光耦芯片（G1）内部的发光二极管接地，第一运算放大器（F1）的两个输入端分别接第一模拟光耦芯片（G1）的第一光敏二极管的两端，其输出端接第一三极管（T1）的基极；第二运算放大器（F2）的两个输入端分别接第一模拟光耦芯片（G1）的第二光敏二极管的两端，第三运算放大器（F3）接成电压跟随器，其输入端接第二运算放大器（F2）的输出端，输出端接单片机（U1）的AD0端口。

3.根据权利要求1或2所述的一种隔离型数字式电动执行器控制器，其特征是，构成中还包括阀位输出信号转换电路，所述阀位输出信号转换电路包括第二模拟光耦芯片（G2）、第一二极管（D1）、两个三极管、四个运算放大器和六个电阻，第二三极管（T2）的集电极接地，发射极依次经第二模拟光耦芯片（G2）内部的发光二极管和第二电阻（R2）接电源正极，第四运算放大器（F4）的两个输入端分别接第二模拟光耦芯片（G2）的第一光敏二极管的两端，其输出端接第二三极管（T2）的基极；第五运算放大器（F5）与第三电阻（R3）和第四电阻（R4）接成比例放大器，其输入端接单片机（U1）的AD1端口，输出端经第六运算放大器（F6）构成的电压跟随器接第二模拟光耦芯片（G2）的第一光敏二极管的正极，第七运算放大器（F7）的两个输入端分别接第二模拟光耦芯片（G2）的第二光敏二极管的两端，其输出端接第三三极管（T3）的基极，第三三极管（T3）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）依次串接在阀位电流信号的输出回路中，第一二极管（D1）与第七电阻（R7）串联连接后一端接第五电阻（R5）与第六电阻（R6）的串接点，一端接第三三极管（T3）的集电极。

4.根据权利要求3所述的一种隔离型数字式电动执行器控制器，其特征是，所述电流测量电路包括电流传感器（U2）、第八运算放大器（F8）、场效应管（Q）、电容器（C）和第二二极管（D2），所述电流传感器（U2）接在电动执行器电机的供电回路上，第八运算放大器（F8）接成电压跟随器，其输入端接电流传感器（U2）的输出端，输出端经第二二极管（D2）接单片机（U1）的AD3端口，所述电容器（C）接于单片机（U1）的AD3端口与地线之间，所述场效应管（Q）并接在电容器（C）上，其控制极接单片机（U1）的输出端口。

5.根据权利要求4所述的一种隔离型数字式电动执行器控制器，其特征是，构成中还包括数字信号输入输出电路，所述数字信号输入输出电路包括数字编码器、拨码开关、按键和发光二极管，它们分别接单片机（U1）的不同I/O端口。

6.根据权利要求5所述的一种隔离型数字式电动执行器控制器，其特征是，构成中还包括通讯芯片，单片机（U1）通过通讯芯片与上位机交换信息。