基于ATmega16 的電液伺服閥反饋控制器設(shè)計(jì)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(hù)困難、泄漏、噪聲比大等缺點(diǎn)，但是對(duì)于大功率的自動(dòng)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(duì)電液伺服閥提出了更高的要求，如控制精度高、動(dòng)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(huì)出現(xiàn)伺服閥輸出壓力抖動(dòng)過(guò)大、輸出壓力偏高或偏低的問(wèn)題。故設(shè)計(jì)此電液伺服閥反饋控制器，可實(shí)現(xiàn)電液伺服閥穩(wěn)定精確地輸出壓力。

1 總體設(shè)計(jì)

電液伺服閥反饋控制器核心控制芯片采用AT-mega16 單片機(jī)，ATmega16采用先進(jìn)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(jì)主要包括輸入信號(hào)采集電路、電流信號(hào)輸出電路以及故障切換電路三部分。

考慮工程實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)控制。充分利用了單片機(jī)的資源，同時(shí)節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示

2 輸入信號(hào)采集電路

電液伺服閥依靠電流信號(hào)進(jìn)行控制，控制電流范圍為4~40 mA,對(duì)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(hào)進(jìn)行調(diào)理供單片機(jī)A/D口進(jìn)行采集。

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

輸入電流信號(hào)4~40 mA 經(jīng)過(guò)精密電阻R21 采集轉(zhuǎn)換為0.1~1 V電壓信號(hào)。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(jì)算公式為：

放大電路將電壓信號(hào)放大為0.5~5 V.實(shí)際測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。注意表1 中第一行單片機(jī)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(shí)際在輸入電流為0 mA時(shí)，D/A也會(huì)輸出0.66 V 電壓。這是因?yàn)殡娐分卸O管D11 的靜態(tài)壓降影響。

3 電流信號(hào)輸出電路

電流信號(hào)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(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制AD558輸出0~10 V電壓。后級(jí)V I 電路將0~10 V電壓轉(zhuǎn)換為可達(dá)4~40 mA范圍的電流信號(hào)以驅(qū)動(dòng)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(shí)間等參數(shù)，同時(shí)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(jiǎn)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(biāo)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(duì)精度±(1 2 )LSB;高速1 μs輸出轉(zhuǎn)換建立時(shí)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(zhǔn)電壓源，不用外接基準(zhǔn)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(jiǎn)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(shí)際測(cè)試效果見(jiàn)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(hào)轉(zhuǎn)換為可達(dá)4~40 mA范圍的電流信號(hào)，并且輸出電流與輸入電壓滿足線性關(guān)系。

在設(shè)計(jì)V I 轉(zhuǎn)換電路時(shí)，考慮其帶載能力，使其在帶有一定負(fù)載時(shí)能穩(wěn)定精確輸出一定的電流信號(hào)而不受負(fù)載大小的影響。本文設(shè)計(jì)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(guò)Rf 產(chǎn)生反饋電壓Vf.經(jīng)過(guò)電路分析可得：

實(shí)際V I 電路測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2.

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。電路中Q1、Q2接成達(dá)林頓管形式以增強(qiáng)三極管驅(qū)動(dòng)能力。二極管D4防止在控制器故障被切除時(shí)伺服閥電流倒流入控制器。

4 故障切換電路

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)需要切除控制器，不對(duì)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(kāi)關(guān)MAX4660來(lái)實(shí)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(kāi)關(guān)芯片。切換速度極快，控制簡(jiǎn)單。具體參數(shù)為±15 V 供電;25 Ω的低開(kāi)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(hào)，作為單一輸入端。Iout 和IAD 作為兩個(gè)選擇輸出端。IAD 連接系統(tǒng)輸入信號(hào)采集電路，Iout連接伺服閥。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，單片機(jī)給芯片6 引腳高電平，則Input與IAD接通，使單片機(jī)可以采集到輸入電流并進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，單片機(jī)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(duì)其作出一定的改進(jìn)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(duì)多個(gè)參數(shù)的整定調(diào)節(jié)問(wèn)題簡(jiǎn)化成了對(duì)一個(gè)參數(shù)KP 的整定。控制流程如圖8所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

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

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電液伺服閥在實(shí)踐應(yīng)用中的不足，設(shè)計(jì)了電液伺服閥控制器，顯著提高了電液伺服閥在實(shí)踐應(yīng)用中的穩(wěn)定性和精確性。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，該控制器實(shí)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(dòng)、輸出壓力不足或過(guò)大的情況。并且通過(guò)故障判斷和故障自切除功能使系統(tǒng)工作更為可靠。