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摘 要：智能型电动执行机构广泛应用于工业控制系统中，随着科技的发展，它的重要性越显突出。本文通过电动执行机构的工作原理阐述，对C8051F340单片机的智能型电动执行机构控制系统的设计原理，提出了一个集自动控制、故障自诊断与报警、人机对话等功能于一体的智能型电动执行机构控制系统的设计方案。
关键词：C8051F340 电动执行机构
随着工业生产控制过程自动化程度的提高，电动执行机构在整个控制系统中起着举足轻重的作用，它的好坏，将直接影响着过程控制工业生产的质量、安全、环境保护，能源消耗等。提高了智能型电动执行机构的可靠性，通过对硬件电路和软件程序的优化控制，C8051F340单片机的合理利用，实现了阀门电动执行机构控制系统的智能化、合理化和高可靠性的要求。
1.电动执行机构的工作原理
电动执行机构是由三相异步电动机驱动，接收控制器或人工给定的控制信号，将其进行功率放大，并转换为输出轴相应的转角或直线位移，通过蜗轮蜗杆减速，带动空心输出轴输出转矩，连续或断续的去推动各种控制机构，以完成生产过程中各种参量的控制。执行机构的减速器具有手/电动切换机构，当切换处于手动位置时，手轮离合器可以带动齿轮组至梯形螺母使传输轴转动，输出轴的极限尺寸由导管长度决定；电动操作时，切换机构将自动回落至电动的位置，离合器和蜗轮啮合，由三相电机驱动空心输出轴来回转动。
执行机构的系统从整体上可分为控制器和执行器两部分。控制器是核心，由微控制器、总线接口模块和电磁开关等组成，完成接收和反馈信号，用于控制伺服电机的动作同时向上位机反馈实际信息；信号选择，选择不同的控制信号；断信号保护，通过读取开关状态，选择断信号是执行机构应处的位置；参数调整，可以调整灵敏度、零点、行程参数。
2.控制系统的设计原理
目前智能型电动执行机构控制系统采用C8051F340作为主控制单元，C8051F340是完全集成的混合信号片上系统型单片机，包括4个16位计数器/定时器，2个具有扩展波特率配置的全双工UART，1个增强型SPI端口，1个SMBUS端口，40个I/O引脚，具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），4352字节的内部RAM，128字节特殊功能寄存器等。在远程状态下，可通过开关量信号或4～20mA电流信号实现电动执行机构的开、关、停等操作，具有故障自诊断和故障报警功能，并记录设备运行状态。智能型控制系统由电源模块、功率驱动模块、人机界面模块、行程检测模块、开关量信号输入输出模块、模拟量信号输入输出模块组成，采用C8051F340作为主控制芯片，通过对各硬件模块的输入输出操作，实现对阀门电动执行机构的各项控制功能。
3.控制系统的硬件设计
应用中智能型电动执行机构控制系统硬件电路由电源板、主控板、操作面板三部分组成，主控板与操作面板通过UART口串行通信，实现人机对话，主控板接收外部指令控制功率驱动模块，操作电机正反转运行，实现阀门的开启和关闭，并及时输出开关量反馈信号或模拟量反馈信号。
3.1 电源模块
电源模块是该系统的主要部分，电源板为主控板提供两路直流电压信号，一路为+24V（1±1%），一路为+5V（1±1%），+24V电压信号作为6路开关量和模拟量输入输出信号及功率驱动模块电路电源，+5V电压信号作为主控板C8051F340单片机及其他相关硬件电路电。
3.2 功率驱动硬件电路
功率驱动信号主要有控制电路实现硬件互锁功能，避免触发信号同时有效导致控制回路紊乱，利用C8051F340单片机三路IO口作为功率驱动电路触发信号，一路IO口作为触发信号输出端电源控制信号，另两路作为触发控制信号，进一步提高了触发信号可靠性，IO口配置为推挽方式，低电平有效。为了保证电动执行机构控制系统的安全性与可靠性，采用光耦TLP521—4对触发信号进行信号隔离，避免触发信号干扰，保证电动执行机构可靠、稳定运行。电路图1如下：
3.3 行程检测硬件电路
行程检测电路采用无接触式磁旋转编码器，可以准确测量整个360度范围内的角度，其分辨率可以达到0.08790。编码器通过输入齿轮，与阀门电动执行机构的行程传动部件啮合，使之具有高精度位置检测功能。编码器具有内部稳压器，在主控板+3.3V电源电压下工作，主控板通过串口操作，以串行比特流的形式读出行程数据，实现阀位数据的读取。
3.4 模拟量信号硬件电路
模拟量信号硬件电路的组成，主要由智能型电动执行机构控制系统4—20mA模拟量输出信号采用C8051F340单片机的PWM输出功能，C8051F340具有5個捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），在智能型控制系统里将PCA配置为16位脉宽调制器方式，在该方式下，16位捕捉/比较模块定义PWM信号低电平时间的PCA时钟数，配置PCA相关寄存器，可以输出占空比可变的PWM波。PWM输出电路采用光耦N101进行信号隔离，在不影响光耦N101开关速率的条件下，PWM波频率设置为200Hz。智能型控制系统采集行程检测信号，计算当前阀位值，然后输出不同频率的PWM波，在光耦输出端，通过RC积分电路将PWM波转换成电压信号，通过恒流源硬件电路，输出4—20mA电流信号，实现阀位模拟量信号反馈功能。电。
3.5 开关量信号输入硬件电路
智能型电动执行机构控制系统在远程状态时，通过开关量信号输入硬件电路，接收开、关、停指令信号，控制电动执行机构完成相关动作。为避免外部信号干扰，通过光耦N109、N110、N111进行信号隔离，隔离后的开关量信号接入C8051F340单片机IO口，IO口配置为弱上拉、开漏方式，在软件控制方式中采用“去抖”处理方式，能准确、及时采集开关量输入信号，有效避免误操作，提高电动执行机构运行的可靠性。为防止由于外部接线错误而导致硬件电路损坏，采用二极管VD111，有效避免接线错误带来的影响。电路图2如下：
4.控制系统的软件设计
智能型电动执行机构控制系统在运行状态下，主程序通过调用就地运行、远程运行、故障诊断与报警、参数设置、开关量信号输入输出、模拟量信号输入输出、人机界面显示程序、数据处理等子程序，完成对电动执行机构的各项操作功能。同时，则当故障产生时，则电机不能运行操作，若电机正处于运行状态，则立即触发电机停止指令，使电机处于停止状态，若故障信号消除，则自动解除电机禁止操作状态。
5.结语
在应用中智能型电动执行机构控制系统采用C8051F340单片机的强大外设功能，通过硬件、软件相结合，完善了智能型电动执行机构各项性能指标，而且降低了系统设计的硬件成本，同时，智能型控制系统的硬件设计考虑到工业现场的环境情况，为满足EMC电磁抗干扰要求，采取了完善的抗干扰措施，达到了系统设计的智能化、高可靠性的要求，在阀门电动执行机构上应用上具有推广价值。
参考文献
[1].姜迎新；葛润平；邵杰.智能型电动执行机构的电气控制系统设计[J].通用机械，2009.03
[2].吴宏图.电动执行机构的控制程序[J].化工自动化及仪表，2013.09
[3].唐涛.智能型电动执行机构控制系统设计[J].电气应用，2013.20
关键词：C8051F340 电动执行机构
随着工业生产控制过程自动化程度的提高，电动执行机构在整个控制系统中起着举足轻重的作用，它的好坏，将直接影响着过程控制工业生产的质量、安全、环境保护，能源消耗等。提高了智能型电动执行机构的可靠性，通过对硬件电路和软件程序的优化控制，C8051F340单片机的合理利用，实现了阀门电动执行机构控制系统的智能化、合理化和高可靠性的要求。
1.电动执行机构的工作原理
电动执行机构是由三相异步电动机驱动，接收控制器或人工给定的控制信号，将其进行功率放大，并转换为输出轴相应的转角或直线位移，通过蜗轮蜗杆减速，带动空心输出轴输出转矩，连续或断续的去推动各种控制机构，以完成生产过程中各种参量的控制。执行机构的减速器具有手/电动切换机构，当切换处于手动位置时，手轮离合器可以带动齿轮组至梯形螺母使传输轴转动，输出轴的极限尺寸由导管长度决定；电动操作时，切换机构将自动回落至电动的位置，离合器和蜗轮啮合，由三相电机驱动空心输出轴来回转动。
执行机构的系统从整体上可分为控制器和执行器两部分。控制器是核心，由微控制器、总线接口模块和电磁开关等组成，完成接收和反馈信号，用于控制伺服电机的动作同时向上位机反馈实际信息；信号选择，选择不同的控制信号；断信号保护，通过读取开关状态，选择断信号是执行机构应处的位置；参数调整，可以调整灵敏度、零点、行程参数。
2.控制系统的设计原理
目前智能型电动执行机构控制系统采用C8051F340作为主控制单元，C8051F340是完全集成的混合信号片上系统型单片机，包括4个16位计数器/定时器，2个具有扩展波特率配置的全双工UART，1个增强型SPI端口，1个SMBUS端口，40个I/O引脚，具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），4352字节的内部RAM，128字节特殊功能寄存器等。在远程状态下，可通过开关量信号或4～20mA电流信号实现电动执行机构的开、关、停等操作，具有故障自诊断和故障报警功能，并记录设备运行状态。智能型控制系统由电源模块、功率驱动模块、人机界面模块、行程检测模块、开关量信号输入输出模块、模拟量信号输入输出模块组成，采用C8051F340作为主控制芯片，通过对各硬件模块的输入输出操作，实现对阀门电动执行机构的各项控制功能。
3.控制系统的硬件设计
应用中智能型电动执行机构控制系统硬件电路由电源板、主控板、操作面板三部分组成，主控板与操作面板通过UART口串行通信，实现人机对话，主控板接收外部指令控制功率驱动模块，操作电机正反转运行，实现阀门的开启和关闭，并及时输出开关量反馈信号或模拟量反馈信号。
3.1 电源模块
电源模块是该系统的主要部分，电源板为主控板提供两路直流电压信号，一路为+24V（1±1%），一路为+5V（1±1%），+24V电压信号作为6路开关量和模拟量输入输出信号及功率驱动模块电路电源，+5V电压信号作为主控板C8051F340单片机及其他相关硬件电路电。
3.2 功率驱动硬件电路
功率驱动信号主要有控制电路实现硬件互锁功能，避免触发信号同时有效导致控制回路紊乱，利用C8051F340单片机三路IO口作为功率驱动电路触发信号，一路IO口作为触发信号输出端电源控制信号，另两路作为触发控制信号，进一步提高了触发信号可靠性，IO口配置为推挽方式，低电平有效。为了保证电动执行机构控制系统的安全性与可靠性，采用光耦TLP521—4对触发信号进行信号隔离，避免触发信号干扰，保证电动执行机构可靠、稳定运行。电路图1如下：
3.3 行程检测硬件电路
行程检测电路采用无接触式磁旋转编码器，可以准确测量整个360度范围内的角度，其分辨率可以达到0.08790。编码器通过输入齿轮，与阀门电动执行机构的行程传动部件啮合，使之具有高精度位置检测功能。编码器具有内部稳压器，在主控板+3.3V电源电压下工作，主控板通过串口操作，以串行比特流的形式读出行程数据，实现阀位数据的读取。
3.4 模拟量信号硬件电路
模拟量信号硬件电路的组成，主要由智能型电动执行机构控制系统4—20mA模拟量输出信号采用C8051F340单片机的PWM输出功能，C8051F340具有5個捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），在智能型控制系统里将PCA配置为16位脉宽调制器方式，在该方式下，16位捕捉/比较模块定义PWM信号低电平时间的PCA时钟数，配置PCA相关寄存器，可以输出占空比可变的PWM波。PWM输出电路采用光耦N101进行信号隔离，在不影响光耦N101开关速率的条件下，PWM波频率设置为200Hz。智能型控制系统采集行程检测信号，计算当前阀位值，然后输出不同频率的PWM波，在光耦输出端，通过RC积分电路将PWM波转换成电压信号，通过恒流源硬件电路，输出4—20mA电流信号，实现阀位模拟量信号反馈功能。电。
3.5 开关量信号输入硬件电路
智能型电动执行机构控制系统在远程状态时，通过开关量信号输入硬件电路，接收开、关、停指令信号，控制电动执行机构完成相关动作。为避免外部信号干扰，通过光耦N109、N110、N111进行信号隔离，隔离后的开关量信号接入C8051F340单片机IO口，IO口配置为弱上拉、开漏方式，在软件控制方式中采用“去抖”处理方式，能准确、及时采集开关量输入信号，有效避免误操作，提高电动执行机构运行的可靠性。为防止由于外部接线错误而导致硬件电路损坏，采用二极管VD111，有效避免接线错误带来的影响。电路图2如下：
4.控制系统的软件设计
智能型电动执行机构控制系统在运行状态下，主程序通过调用就地运行、远程运行、故障诊断与报警、参数设置、开关量信号输入输出、模拟量信号输入输出、人机界面显示程序、数据处理等子程序，完成对电动执行机构的各项操作功能。同时，则当故障产生时，则电机不能运行操作，若电机正处于运行状态，则立即触发电机停止指令，使电机处于停止状态，若故障信号消除，则自动解除电机禁止操作状态。
5.结语
在应用中智能型电动执行机构控制系统采用C8051F340单片机的强大外设功能，通过硬件、软件相结合，完善了智能型电动执行机构各项性能指标，而且降低了系统设计的硬件成本，同时，智能型控制系统的硬件设计考虑到工业现场的环境情况，为满足EMC电磁抗干扰要求，采取了完善的抗干扰措施，达到了系统设计的智能化、高可靠性的要求，在阀门电动执行机构上应用上具有推广价值。
参考文献
[1].姜迎新；葛润平；邵杰.智能型电动执行机构的电气控制系统设计[J].通用机械，2009.03
[2].吴宏图.电动执行机构的控制程序[J].化工自动化及仪表，2013.09
[3].唐涛.智能型电动执行机构控制系统设计[J].电气应用，2013.20