基于ATmega16 的電液伺服閥反饋控制器設(shè)計方案

電液伺服閥在工程系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。盡管液壓系統(tǒng)具有維護困難、泄漏、噪聲比大等缺點，但是對于大功率的自動控制系統(tǒng)，液壓控制是其他控制形式所不能替代的。

隨著電液伺服系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對電液伺服閥提出了更高的要求，如控制精度高、動態(tài)響應(yīng)快、成本低等。但由于外部環(huán)境的干擾或電液伺服閥本身的性能不足，會出現(xiàn)伺服閥輸出壓力抖動過大、輸出壓力偏高或偏低的問題。故設(shè)計此電液伺服閥反饋控制器，可實現(xiàn)電液伺服閥穩(wěn)定精確地輸出壓力。

1 總體設(shè)計

電液伺服閥反饋控制器核心控制芯片采用AT-mega16 單片機，ATmega16采用先進的RISC 結(jié)構(gòu)，代碼執(zhí)行速度高，工作可靠穩(wěn)定。

外圍電路的設(shè)計主要包括輸入信號采集電路、電流信號輸出電路以及故障切換電路三部分。

考慮工程實際應(yīng)用需求及系統(tǒng)集成化要求，將兩路控制電路集成使用一片ATmega16單片機實現(xiàn)控制。充分利用了單片機的資源，同時節(jié)約開發(fā)成本。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示

2 輸入信號采集電路

電液伺服閥依靠電流信號進行控制，控制電流范圍為4~40 mA,對應(yīng)輸出壓力為0~20 MPa.ATmega16有8路10位的ADC,采集電壓的范圍為0~5 V.因此需要將控制電流信號進行調(diào)理供單片機A/D口進行采集。

輸入信號采集電路主要由I V 轉(zhuǎn)換電路和A/D 采集電路組成，實現(xiàn)將4~40 mA電流轉(zhuǎn)換為可供單片機采集的0~5 V電壓。電路如圖2所示

輸入電流信號4~40 mA 經(jīng)過精密電阻R21 采集轉(zhuǎn)換為0.1~1 V電壓信號。R16 ,R22 ,R23 與放大器LM324構(gòu)成同相比例放大電路。放大倍數(shù)計算公式為：

放大電路將電壓信號放大為0.5~5 V.實際測試結(jié)果見表1

實測數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。注意表1 中第一行單片機采集后經(jīng)D/A輸出電壓為0.66 V,與放大電路輸出電壓0.49 V有一定誤差。實際在輸入電流為0 mA時，D/A也會輸出0.66 V 電壓。這是因為電路中二極管D11 的靜態(tài)壓降影響。

3 電流信號輸出電路

電流信號輸出電路包括D/A 輸出電路和V I 轉(zhuǎn)換電路。

D/A 輸出電路使用AD558 芯片實現(xiàn)，單片機控制AD558輸出0~10 V電壓。后級V I 電路將0~10 V電壓轉(zhuǎn)換為可達4~40 mA范圍的電流信號以驅(qū)動電液伺服閥。

3.1 D/A輸出電路D/A的選擇需要考慮其精度、量程范圍以及轉(zhuǎn)換建立時間等參數(shù)，同時還要注意使用的方便性。AD558是一款具有高轉(zhuǎn)換速度以及簡單方便的控制接口的電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。

AD558的主要性能指標如下：8位并行數(shù)字量輸入寬度;兩種電壓的輸出范圍，分別為0~10 V和0~2.56 V;相對精度±(1 2 )LSB;高速1 μs輸出轉(zhuǎn)換建立時間;單一電源供電，電源電壓的范圍4.5~16.5 V;內(nèi)部具有基準電壓源，不用外接基準源;內(nèi)部集成有數(shù)據(jù)輸入鎖存器;低功耗，75 mW.

AD558的兩種輸出選擇依賴于簡單的外部接線方式，如圖3所示

反饋控制器D/A輸出電路如圖4所示

實際測試效果見表1中D/A輸出。

3.2 V I 轉(zhuǎn)換電路

V I 轉(zhuǎn)換電路將D/A 輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為可達4~40 mA范圍的電流信號，并且輸出電流與輸入電壓滿足線性關(guān)系。

在設(shè)計V I 轉(zhuǎn)換電路時，考慮其帶載能力，使其在帶有一定負載時能穩(wěn)定精確輸出一定的電流信號而不受負載大小的影響。本文設(shè)計V I 轉(zhuǎn)換電路帶載等效范圍為0~200 Ω。電路如圖5所示。

電阻R7,R8,R9 并聯(lián)構(gòu)成反饋電阻記為Rf.輸出電流Iout 流過Rf 產(chǎn)生反饋電壓Vf.經(jīng)過電路分析可得：

實際V I 電路測試結(jié)果見表2.

實測數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。電路中Q1、Q2接成達林頓管形式以增強三極管驅(qū)動能力。二極管D4防止在控制器故障被切除時伺服閥電流倒流入控制器。

4 故障切換電路

當系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)需要切除控制器，不對輸入電流做調(diào)節(jié)使其直接輸入伺服閥。在此選用模擬電路切換開關(guān)MAX4660來實現(xiàn)。

MAX4660可作為單輸入雙輸出選擇或者雙輸入單輸出選擇的電流型CMOS開關(guān)芯片。切換速度極快，控制簡單。具體參數(shù)為±15 V 供電;25 Ω的低開啟電阻;1.5 Ω的最大導(dǎo)通電阻;150 mA持續(xù)電流;200 mA最大峰值電流;低功耗，3 mW.

控制邏輯如圖6所示。故障切換電路如圖7所示。

Input 為外部電流信號，作為單一輸入端。Iout 和IAD 作為兩個選擇輸出端。IAD 連接系統(tǒng)輸入信號采集電路，Iout連接伺服閥。

當系統(tǒng)正常工作時，單片機給芯片6 引腳高電平，則Input與IAD接通，使單片機可以采集到輸入電流并進行控制調(diào)節(jié)。當系統(tǒng)故障時，單片機給芯片6引腳低電平，則Input與Iout接通，使輸入電流直接流入伺服閥。

5 系統(tǒng)控制算法

控制器采用傳統(tǒng)的增量式數(shù)字PID控制算法，并對其作出一定的改進以改善其性能，方便參數(shù)整定。

傳統(tǒng)增量式PID控制算法為：

這樣，對多個參數(shù)的整定調(diào)節(jié)問題簡化成了對一個參數(shù)KP 的整定?？刂屏鞒倘鐖D8所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件結(jié)構(gòu)采用前后臺系統(tǒng)設(shè)計，主程序是一個死循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過函數(shù)調(diào)用和全局變量與子程序進行參數(shù)傳遞[5].軟件流程如圖9所示。

輸入信號為4~40 mA 電流信號，反饋信號為4~20 mA電流信號。電流信號若小于4 mA則認為信號處于死區(qū)，輸入信號處于死區(qū)則控制器不予響應(yīng)，輸入信號不在死區(qū)而反饋信號處于死區(qū)則認為系統(tǒng)故障，切斷控制器。

7 結(jié)束語

本文針對電液伺服閥在實踐應(yīng)用中的不足，設(shè)計了電液伺服閥控制器，顯著提高了電液伺服閥在實踐應(yīng)用中的穩(wěn)定性和精確性。經(jīng)過現(xiàn)場實際測試，該控制器實現(xiàn)了控制電液伺服閥穩(wěn)定精確地輸出壓力，解決了電液伺服閥輸出壓力擺動、輸出壓力不足或過大的情況。并且通過故障判斷和故障自切除功能使系統(tǒng)工作更為可靠。