基于A(yíng)Tmega16L的電液伺服控制系統設計

摘要：針對電液伺服閉環(huán)控制過(guò)程中，設定信號不斷發(fā)生變化，電液閥門(mén)位置定位精確度較低的難題。采用ATmega16L作為核心控制器，并配有高精度A／D、D／A轉換器，通過(guò)對閥門(mén)開(kāi)度控制信號和位置反饋信號進(jìn)行采集、轉換、計算和比較，發(fā)出控制信號決定并執行換向閥的換向、交流伺服電動(dòng)機的起停運轉，推動(dòng)液壓缸推桿的伸縮，進(jìn)而對閥門(mén)轉角大小、開(kāi)度百分比進(jìn)行精確定位。
關(guān)鍵詞：單片機微處理器；伺服控制；閥門(mén)位置；RS 485通信

0 引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)、電機控制技術(shù)、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)已逐步取代了傳統的直流控制技術(shù)，越來(lái)越多地應用到各種工業(yè)控制領(lǐng)域中?，F代制造行業(yè)的迅速崛起，對伺服控制系統的控制性能提出了更高的要求。要求提高伺服系統的移動(dòng)速度、跟隨精度和定位精度。而提高伺服控制系統的動(dòng)態(tài)性能主要有以下兩個(gè)途徑：一是采用高性能的伺服電動(dòng)機和測量裝置，提高伺服控制系統的硬件性能；二是采用新的控制策略，提高軟件系統的性能。本設計采用了性?xún)r(jià)比較高的單片機控制器取代傳統的運算放大器實(shí)現信號的處理，智能控制器具有很強的數據采集、處理、記憶、存儲及通信等功能，具有較高的精度、較好的人機界面和故障診斷能力。

1 電液伺服控制系統的硬件設計
硬件電路由ATmega16L控制器及其最小系統、信號檢測模塊、PWM輸出緩沖模塊、驅動(dòng)電路、RS 485通信模塊、液晶顯示及按鍵模塊組成。其中，ATmega16L控制器最小系統包括單片機復位電路、電源配置電路、時(shí)鐘電路等。圖1為控制器硬件組成結構框圖。

1．1 ATmega16L控制器及其最小系統電路設計
本系統給定閥門(mén)開(kāi)度指令信號，通過(guò)檢測位置和轉速信號形成閉環(huán)系統，輸出PWM控制信號，通過(guò)驅動(dòng)電路和控制主電路開(kāi)關(guān)管，進(jìn)而控制電機的轉速和閥門(mén)的開(kāi)度。位置和轉速信號的輸入要用到ADC轉換模塊。
1．2 閥門(mén)位置信號采集電路設計
在閥門(mén)智能控制系統中，通過(guò)控制液體的流量和壓力等參數來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)度值。調節管道系統中介質(zhì)的流量，從而使控制參數符合要求。遠程控制中心送來(lái)的設定信號可以是標準的DC 4～20 mA的電流信號，也可以是1～5 V的電壓信號。鍵盤(pán)設定的0～100 ％的開(kāi)度百分比，智能電液執行機構控制器通過(guò)狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)鍵來(lái)接收控制信號。
1．3 檢測及信號調理電路設計
系統中需要檢測的信號包括負載電流、負載電壓、主電路母線(xiàn)電壓、電機轉速信號等。
電流檢測采用霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器是一種利用霍爾效應工作的非接觸式傳感器，具有精度高、線(xiàn)性好、頻帶寬、響應快、過(guò)載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)有比較成熟的工業(yè)產(chǎn)品。
電流檢測的霍爾電流傳感器匝比為2 000：1，傳感器送出的弱電流信號經(jīng)過(guò)調理后便可送入控制器中進(jìn)行運算，由式(1)可得?；魻栞斎虢?jīng)過(guò)電阻后得到±2．5 V的電壓Ui，經(jīng)過(guò)偏移(TL431的輸出電壓為2．5 V)后在A(yíng)點(diǎn)得到0～2．5 V的電壓UA，經(jīng)過(guò)運算放大器放大后在輸出端得到0～2．5 V的電壓Uo，可直接送入ATmega16L中進(jìn)行處理。此處后級運放的倍數可通過(guò)電阻匹配實(shí)現，所以同種電流可用于多處電流檢測中。根據運算放大器虛短、虛斷的概念，計算過(guò)程如下：

1．4 驅動(dòng)電路設計
驅動(dòng)電路主要作用為將控制輸出信號放大并驅動(dòng)功率晶體管。它輸出的脈沖幅值、波形直接影響到功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性、整機效率與調節特性。
本設計采用單相電壓型橋式逆變電路，功能是將控制板送過(guò)來(lái)的功率較小的信號放大為能驅動(dòng)IGBT開(kāi)通關(guān)斷的功率較大的信號。對前級控制電路輸出的PWM信號進(jìn)行光耦隔離。
1．5 PWM信號輸出緩沖電路
單片機引腳輸入電壓為0～5 V，為避免測試或使用過(guò)程中將單片機引腳燒掉，所以在單片機的PWM輸出引腳后可加一級緩沖電路后再送入驅動(dòng)電路中。這樣，一方面避免單片機引腳直接與驅動(dòng)電路相連，另外一級非門(mén)緩沖電路可增加PWM信號的驅動(dòng)能力。

2 電液伺服控制系統的軟件設計
軟件程序模塊主要包括：系統自檢及其初始化模塊、數據信息采集模塊、鍵盤(pán)的操作及其處理模塊、(零點(diǎn)、靈敏度、行程)主要參數調節模塊、系統監控程序模塊等。