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【摘要】本文通过对市面上现有的电动执行器分析研究，设计并制作一个小型化、智能化的电动执行器。目的是想设计制作出一个性价比较高、功能更加完善的智能型电动执行器，电动执行器的主要作用是通过控制交流电机运动从而控制阀门开度的变化，并将开度及执行器状态实时显示出来。本设计采用Atmega128作为主控芯片以便满足系统需求和提高控制精度。通过对电动执行器各个模块的分析制作，了解并掌握电动执行器的工作原理。本设计也对一些现有的模块电路进行了改进，提高了电路性能。
【关键词】电动执行器；小型化；智能化；开度；Atma128单片机
1.引言
1.1 电动执行器的发展
电动执行器，又称电动执行机构、电装、电动头，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备，是自动化仪表终端三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备，主要作用是对一些阀门、挡板等设备进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。
1.2 研究背景及意义
我国目前的电动执行器还以角行程、直行程和多转式这些传统的电动执行器为主，现有的执行器在使用时还会遇见各式各样的问题，需要专业的技术员去钻研改进，与国际水平相比还存在结构上简单，功能弱、智能化程度低等缺点。目前上海沃电、温州瑞基、温州澳托克、英国rotork等产品在市场上均有很强的影响力，但市场上销售的基本型电动执行器功能单一，而功能强大的执行器价格又很高，基于以上原因，本文讨论设计一台性价比高的智能电动执行器。
1.3 系统功能描述
本设计力求执行器在功能上齐全，在性能上稳定，在价格上便宜。
执行器具体功能：
（1）本地操作：本地点动操作；本地保持操作。
（2）远方操作：远方手动操作；远方自动操作。
（3）液晶界面显示：开度显示；状态显示；报警显示；菜单显示。
（4）数据保存：将用户设置后的数据存入单片机的EEPROM。
1.4 系统框图
系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2.系统硬件电路设计
2.1 系统电源电路设计
本系统需要的电源主要有三种：
（1）+5V：用于CPU板卡供电
（2）+12V_D：用于换相继电器
（3）+12V_A：用于4-20mA电流产生
要将380V交流电变为直流首先要变压、整流、稳压，所以电源部分就会包括变压器、整流电路、稳压电路这三个部分。
整流电路：可采取最通用最可靠的桥式整流。
稳压电路：可使用ST公司的LM78XX系列三端稳压芯片。
2.2 380V电源鉴相电路设计
鉴相电路目的是想判别输入信号的相位差，将相位差转换成不同的信号以便后级使用。根据这一原则，首先输入信号要为方波，而本设计使用的380V正弦信号，所以第一步要做的就是将正弦信号转为方波。由于系统控制器采用的是单片机，其供电为5V直流信号，需要鉴相的信号是380V高压信号，为了避免在控制的时候收到高压信号的干扰，在电路设计时还要考虑前后级之间的隔离。在鉴别相序的时候采取软件来进行相序分析。本设计采用Atmega128单片机作为处理器，资源富裕完全有空间来完成鉴相功能，而且采取软件处理可以减少硬件电路的设计调试，也可减小最后PCB的面积。
鉴相前级采样电路由两部分组成：正弦信号变换为方波，电源隔离。
2.3 红外遥控发射电路设计
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。发射部分包括键盘、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括LED红外接收器、光电放大器、解调和解码电路。
红外遥控系统框图如图2所示。
图2 红外遥控系统框图
2.4 交流电机控制电路设计
交流电机控制电路如图3所示。
图3 交流电机控制电路
继电器驱动电路：
继电器驱动电路采取互锁的形式，防止电路在换相的时候出现短路的状况。继电器线圈上要加蓄流二极管，否则线圈中的电不能及时的放干净，在切换相序的时候也容易短路。二极管要选取开关速度快的肖特基二极管。继电器选型只要满足耐压和蓄流能力就可以了。
2.5 显示电路设计
液晶显示采用O12864SGD14CFNE型号，此种液晶体积小，但也是128X64个显示点，并且功耗低、驱动简单。
2.6 4-20mA电流产生电路设计
目前最普遍使用的电流产生原理是电压/电流转换即V/I转换，将输入的电压信号转换为具有一定关系的电流信号，通过转换的电流相当于一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。
针对本设计来说使用PWM占空比来控制4-20mA电流输出，而且也减少了外围电路的设计，增强了系统的稳定性。
2.7 保护电路设计
鉴于电源电路存在一些不稳定因素，用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等。
电机过流检测设计采用电流互感器来检测电流过载。在供电用电的线路中电流电压相差悬殊。线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器的作用就是变流和电气隔离。电流互感器原理其实就是电磁感应原理。
本电路使用的是380V交流电，所以用电流互感器来检测较为安全，经过电流互感器将大电流变为小电流然后在变换为电压，再送入单片机处理。
3.系统软件的设计
3.1 系统总体流程图 系统总体流程图如图4所示。
图4 系统总流程图
3.2 鉴相处理及电机控制
鉴相采集的原理其实很简单，380V交流电已由外部硬件电路转换为方波，单片机只需处理输入两路信号超前与滞后的关系就可以了，这里使用外部中断来捕捉外部输入的方波的信号。
电机控制包括正转、反转和停止，这里就需要换相和电源通电控制。
注意：一定要先进行换相然后再对电机通电，否则在电机动作的时候进行换相会发生短路的情况。
3.3 反馈及远程信号处理
反馈信号主要是检测电动执行器当前的运行状态，其中包括阀门开度反馈、开关到位、过力矩检测、过电流和过热反馈。
过流检测：通过互感器将电流变换为电压然后通过A/D转换后进行处理。
过热检测：通过热敏电阻检测，反馈回开关量。
过力矩检测：通过外部限位开关读取阀门过力矩信号，返回开关量。
开度采集：开度通过于转动阀门连接的电位器反馈信号，由A/D转换后送入单片机进行处理。
3.4 按键及红外遥控器信号处理
按键主要是用于执行器本地操作和远程切换操作，安装在执行器的外壳上，主要实现本地点动和本地保持动作。
此处要注意的是按键消抖采用定时器延时来做，不要使用等待延时，可以提高单片机的运行速度。
红外遥控器接收管连接到单片机的外部中断，当有信号的时候进入中断处理，可以提高遥控器的执行效率，处理的方法是将发送部分信号进行解码，软件处理是将发送的码字破译成二进制的0和1，由0和1组合成不同的字节即可破解遥控器按键。
3.5 液晶显示驱动软件设计
液晶显示部分显示的内容主要有三种，第一种是开度显示，第二种是电动执行器状态显示，第三种的设置菜单显示。
液晶驱动程序的液晶显示部分的基础，我们使用的液晶是不带字库的液晶，所以在使用的时候需要把要显示的字用取模软件转换成字模。液晶驱动采用串行数据模式，这样可以减少外部管脚的占用。
本设计已完成整机装配，各个模块运行正常。已完成电动执行器各项功能，性能良好。各个模块采用的电路都很简单，使用的元器件也都很普通，但完全实现了电动执行器该有的功能。由于采用的电路简单使用的元器件便宜，所以大大降低了电动执行器的成本。
参考文献
[1]马潮.Atmega16原理级及应用手册[M].北京：清华大学出版社，2002.
[2]薛华成.管理信息系统[M].北京：清华大学出版社， 1993.
[3]晓喻.电子制作[J].北京：电子制作，2003.
[4]卢文科，朱长纯等.霍尔元件与电子检测应用电路[M].北京：中国电力出版社，2005.
[5]朱定华.单片机原理及接口技术[M].北京：电子工业出版社，2005.
【关键词】电动执行器；小型化；智能化；开度；Atma128单片机
1.引言
1.1 电动执行器的发展
电动执行器，又称电动执行机构、电装、电动头，是一种自动控制领域的常用机电一体化设备，是自动化仪表终端三大组成部分（检测设备、调节设备和执行设备）中的执行设备，主要作用是对一些阀门、挡板等设备进行自动操作，控制其开关和调节，代替人工作业。
1.2 研究背景及意义
我国目前的电动执行器还以角行程、直行程和多转式这些传统的电动执行器为主，现有的执行器在使用时还会遇见各式各样的问题，需要专业的技术员去钻研改进，与国际水平相比还存在结构上简单，功能弱、智能化程度低等缺点。目前上海沃电、温州瑞基、温州澳托克、英国rotork等产品在市场上均有很强的影响力，但市场上销售的基本型电动执行器功能单一，而功能强大的执行器价格又很高，基于以上原因，本文讨论设计一台性价比高的智能电动执行器。
1.3 系统功能描述
本设计力求执行器在功能上齐全，在性能上稳定，在价格上便宜。
执行器具体功能：
（1）本地操作：本地点动操作；本地保持操作。
（2）远方操作：远方手动操作；远方自动操作。
（3）液晶界面显示：开度显示；状态显示；报警显示；菜单显示。
（4）数据保存：将用户设置后的数据存入单片机的EEPROM。
1.4 系统框图
系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2.系统硬件电路设计
2.1 系统电源电路设计
本系统需要的电源主要有三种：
（1）+5V：用于CPU板卡供电
（2）+12V_D：用于换相继电器
（3）+12V_A：用于4-20mA电流产生
要将380V交流电变为直流首先要变压、整流、稳压，所以电源部分就会包括变压器、整流电路、稳压电路这三个部分。
整流电路：可采取最通用最可靠的桥式整流。
稳压电路：可使用ST公司的LM78XX系列三端稳压芯片。
2.2 380V电源鉴相电路设计
鉴相电路目的是想判别输入信号的相位差，将相位差转换成不同的信号以便后级使用。根据这一原则，首先输入信号要为方波，而本设计使用的380V正弦信号，所以第一步要做的就是将正弦信号转为方波。由于系统控制器采用的是单片机，其供电为5V直流信号，需要鉴相的信号是380V高压信号，为了避免在控制的时候收到高压信号的干扰，在电路设计时还要考虑前后级之间的隔离。在鉴别相序的时候采取软件来进行相序分析。本设计采用Atmega128单片机作为处理器，资源富裕完全有空间来完成鉴相功能，而且采取软件处理可以减少硬件电路的设计调试，也可减小最后PCB的面积。
鉴相前级采样电路由两部分组成：正弦信号变换为方波，电源隔离。
2.3 红外遥控发射电路设计
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。发射部分包括键盘、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括LED红外接收器、光电放大器、解调和解码电路。
红外遥控系统框图如图2所示。
图2 红外遥控系统框图
2.4 交流电机控制电路设计
交流电机控制电路如图3所示。
图3 交流电机控制电路
继电器驱动电路：
继电器驱动电路采取互锁的形式，防止电路在换相的时候出现短路的状况。继电器线圈上要加蓄流二极管，否则线圈中的电不能及时的放干净，在切换相序的时候也容易短路。二极管要选取开关速度快的肖特基二极管。继电器选型只要满足耐压和蓄流能力就可以了。
2.5 显示电路设计
液晶显示采用O12864SGD14CFNE型号，此种液晶体积小，但也是128X64个显示点，并且功耗低、驱动简单。
2.6 4-20mA电流产生电路设计
目前最普遍使用的电流产生原理是电压/电流转换即V/I转换，将输入的电压信号转换为具有一定关系的电流信号，通过转换的电流相当于一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。
针对本设计来说使用PWM占空比来控制4-20mA电流输出，而且也减少了外围电路的设计，增强了系统的稳定性。
2.7 保护电路设计
鉴于电源电路存在一些不稳定因素，用来防止此类不稳定因素影响电路效果的回路称作保护电路。比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等。
电机过流检测设计采用电流互感器来检测电流过载。在供电用电的线路中电流电压相差悬殊。线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器的作用就是变流和电气隔离。电流互感器原理其实就是电磁感应原理。
本电路使用的是380V交流电，所以用电流互感器来检测较为安全，经过电流互感器将大电流变为小电流然后在变换为电压，再送入单片机处理。
3.系统软件的设计
3.1 系统总体流程图 系统总体流程图如图4所示。
图4 系统总流程图
3.2 鉴相处理及电机控制
鉴相采集的原理其实很简单，380V交流电已由外部硬件电路转换为方波，单片机只需处理输入两路信号超前与滞后的关系就可以了，这里使用外部中断来捕捉外部输入的方波的信号。
电机控制包括正转、反转和停止，这里就需要换相和电源通电控制。
注意：一定要先进行换相然后再对电机通电，否则在电机动作的时候进行换相会发生短路的情况。
3.3 反馈及远程信号处理
反馈信号主要是检测电动执行器当前的运行状态，其中包括阀门开度反馈、开关到位、过力矩检测、过电流和过热反馈。
过流检测：通过互感器将电流变换为电压然后通过A/D转换后进行处理。
过热检测：通过热敏电阻检测，反馈回开关量。
过力矩检测：通过外部限位开关读取阀门过力矩信号，返回开关量。
开度采集：开度通过于转动阀门连接的电位器反馈信号，由A/D转换后送入单片机进行处理。
3.4 按键及红外遥控器信号处理
按键主要是用于执行器本地操作和远程切换操作，安装在执行器的外壳上，主要实现本地点动和本地保持动作。
此处要注意的是按键消抖采用定时器延时来做，不要使用等待延时，可以提高单片机的运行速度。
红外遥控器接收管连接到单片机的外部中断，当有信号的时候进入中断处理，可以提高遥控器的执行效率，处理的方法是将发送部分信号进行解码，软件处理是将发送的码字破译成二进制的0和1，由0和1组合成不同的字节即可破解遥控器按键。
3.5 液晶显示驱动软件设计
液晶显示部分显示的内容主要有三种，第一种是开度显示，第二种是电动执行器状态显示，第三种的设置菜单显示。
液晶驱动程序的液晶显示部分的基础，我们使用的液晶是不带字库的液晶，所以在使用的时候需要把要显示的字用取模软件转换成字模。液晶驱动采用串行数据模式，这样可以减少外部管脚的占用。
本设计已完成整机装配，各个模块运行正常。已完成电动执行器各项功能，性能良好。各个模块采用的电路都很简单，使用的元器件也都很普通，但完全实现了电动执行器该有的功能。由于采用的电路简单使用的元器件便宜，所以大大降低了电动执行器的成本。
参考文献
[1]马潮.Atmega16原理级及应用手册[M].北京：清华大学出版社，2002.
[2]薛华成.管理信息系统[M].北京：清华大学出版社， 1993.
[3]晓喻.电子制作[J].北京：电子制作，2003.
[4]卢文科，朱长纯等.霍尔元件与电子检测应用电路[M].北京：中国电力出版社，2005.
[5]朱定华.单片机原理及接口技术[M].北京：电子工业出版社，2005.