1 引言
电动执行机构是过程控制系统中基本的的现场驱动装置，广泛用于电力、冶金、石油、化工等工业部门的自动控制领域。国际上，电动执行机构正朝着总线化网络化、智能化、一体化发展。国产dkj型电动执行机构，其控制方式比较落后，而国外智能电动执行机构，控制性能较好，但价格昂贵，因此如何研究设计与现场生产匹配的智能电动执行机构，实现远程监控，提高电动执行机构的控制精度，拓宽使用环境，缩小同国际水平的差距，是目前过程控制自动化研究的热点。本项目设 计的由价格低廉的单片机控制的智能电动执行机构，运用了先进的控制算法，提高了控制精度，实现了机电一体化。
2 电动执行机构的工作原理
电动执行机构的工作原理参见图1。其中控制器是电动执行机构的核心，执行信号来自控制仪表的模拟信号或脉冲信号输出，电机使用小功率单相交流伺服电机，它具有响应快，控制精度高，结构简单且价格便宜，维护容易，干扰小的优点，反馈装置的测量元件为位置传感器，反馈装置我们采用高精度、高可靠性、高分辨率 (0.01%)、长寿命导电塑料电位器，通过测量电机的角位移将其转化为电信号或数字信号送给控制器。
3 硬件系统设计
根据智能化、可靠性高，抗干扰能力强、成本低等原则，控制核心采用8位微处理器pic16f877a[1]，电机控制的主电路采用电力电子技术实现。美国 microchip公司的pic16f877a单片机采用精简指令集哈佛总线结构，具有高速、低功耗、体积小等特点，功能强大，片内集成了上电复位电路、看门狗wdt定时器等，大大简化了电路设计，节省了成本。看门狗wdt定时器用来监视程序的运行状态，一旦cpu由于意外原因偏离正常程序之外，wdt将 强行把cpu复位，使其返回正常程序;自带八路模拟数字转换输入，从湿度控制仪表来的4～20ma电流信号经电阻变为电压信号经端口ra0输入单片机，从 反馈电阻测得阀门位置的电压信号经ra1输入单片机，由内部转换为数字信号，同时阀门的实际位置在液晶显示器上显示;单片机内部的波形发生器产生需要的 pwm脉冲波形，由单片机端口rc2输出，经驱动器放大去控制单相电机。具有的i2c、spi及usart串行接口可方便地实现与其他计算机及单片机的串 行通讯。
用固态继电器代替传统的伺服放大器来驱动电机。固态继电器ssr具有开关速度快、寿命长、无火花和拉弧现象等特点。控制电压和负载电压按使用场合可以分成 交流和直流两大类，有dc-ac、dc-dc、ac-ac、ac-dc四种型式，笔者选用dc-ac即直流控交流型。由于电机需要正反转，因此使用两组固态继电器。用rb1、rb2口控制电机正反转，当正转时，rb1端口输出高电平，rb2端口输出低电平，电子开关s接通ssr1，电机正转;反之，则反 转;rb1、rb2端口皆为低电平时，电机停转。利用rb1、rb2的电平实现正反转电子互锁。r、c组成固态继电器的吸收电路，rv为过电压保护电阻， 直流电源为pwm脉冲。电机正反转控制电路如图2所示。
图2 电机正反转控制电路原理图
4 软件设计
软件设计是系统设计的关键。使用开发软件mplab ide、仿真器icd2，及灵活简便的c语言。为了提高程序的可靠性和可理解性，采用模块化程序设计思想，即将程序设计成能相对独立的子程序，这样有利于 程序的移植和修改。软件编程包括主程序，a/d转换、液晶显示、控制算法、正反转等子程序，主程序流程图如图3所示。
图3 主程序流程图
提高执行机构精度的关键是克服电机的惯性，实现准确的定位，因此在控制算法上采用快速启动，在接近控制点慢速停止的方法减小惯性。调制波形pwm的周期 (1/频率)通过向tmr2的周期寄存器pr2写入确定，pwm周期=(pr2+1)×4×tosc×(tmr2预分频数);写ccpr1l和控制器 ccp1con〈5、4〉两位设定pwm占空比(脉宽)，pwm占空因数=(ccpr1l：ccp1con〈5、4〉)×tosc×(tmr2预分频 数)。当给定位置和反馈位置之差△e大于偏差e2时，单片机发出占空比100%的pwm脉冲，电机快速旋转接近指定位置;当给定位置和反馈位置之差△e小 于偏差e2大于死区e1时，单片机发出占空比小的pwm脉冲，电机慢速旋转到达指定位置。
5 结束语
智能电动执行机构是新一代产品,随着控制系统的更新,使工业过程控制的精度，可靠性得到了进一步提高[2]，本电动执行机构采用机电一体化结构,利用单片 机技术，电子限位、液晶显示技术和固态继电器控制技术等多种新技术,具有体积小、可靠性高、精度高、成本低的特点。其控制器也可直接安装于执行机构内部而 无需改动原机械机构，方便了旧设备改造。
