基于A(yíng)Tmega16 的電液伺服閥反饋控制器設計方案

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

隨著(zhù)電液伺服系統應用領(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(dòng)態(tài)響應快、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。故設計此電液伺服閥反饋控制器，可實(shí)現電液伺服閥穩定精確地輸出壓力。

1 總體設計

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(jìn)的RISC 結構，代碼執行速度高，工作可靠穩定。

外圍電路的設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(shí)際應用需求及系統集成化要求，將兩路控制電路集成使用一片ATmega16單片機實(shí)現控制。充分利用了單片機的資源，同時(shí)節約開(kāi)發(fā)成本。

系統總體結構如圖1所示

2 輸入信號采集電路

電液伺服閥依靠電流信號進(jìn)行控制，控制電流范圍為4~40 mA,對應輸出壓力為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(jìn)行調理供單片機A/D口進(jìn)行采集。

輸入信號采集電路主要由I V 轉換電路和A/D 采集電路組成，實(shí)現將4~40 mA電流轉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(guò)精密電阻R21 采集轉換為0.1~1 V電壓信號。R16 ,R22 ,R23 與放大器LM324構成同相比例放大電路。放大倍數計算公式為：

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

實(shí)測數據滿(mǎn)足設計要求。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(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 轉換電路。

D/A 輸出電路使用AD558 芯片實(shí)現，單片機控制AD558輸出0~10 V電壓。后級V I 電路將0~10 V電壓轉換為可達4~40 mA范圍的電流信號以驅動(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、量程范圍以及轉換建立時(shí)間等參數，同時(shí)還要注意使用的方便性。AD558是一款具有高轉換速度以及簡(jiǎn)單方便的控制接口的電壓輸出型D/A轉換器。

AD558的主要性能指標如下：8位并行數字量輸入寬度;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;內部具有基準電壓源，不用外接基準源;內部集成有數據輸入鎖存器;低功耗，75 mW.

AD558的兩種輸出選擇依賴(lài)于簡(jiǎn)單的外部接線(xiàn)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)際測試效果見(jiàn)表1中D/A輸出。

3.2 V I 轉換電路

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

在設計V I 轉換電路時(shí)，考慮其帶載能力，使其在帶有一定負載時(shí)能穩定精確輸出一定的電流信號而不受負載大小的影響。本文設計V I 轉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 電路測試結果見(jiàn)表2.

實(shí)測數據滿(mǎn)足設計要求。電路中Q1、Q2接成達林頓管形式以增強三極管驅動(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

當系統發(fā)生故障時(shí)，系統需要切除控制器，不對輸入電流做調節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。

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。具體參數為±15 V 供電;25 Ω的低開(kāi)啟電阻;1.5 Ω的最大導通電阻;150 mA持續電流;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(gè)選擇輸出端。IAD 連接系統輸入信號采集電路，Iout連接伺服閥。

當系統正常工作時(shí)，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(jìn)行控制調節。當系統故障時(shí)，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 系統控制算法

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

傳統增量式PID控制算法為：

這樣，對多個(gè)參數的整定調節問(wèn)題簡(jiǎn)化成了對一個(gè)參數KP 的整定?？刂屏鞒倘鐖D8所示。

6 系統軟件設計

軟件結構采用前后臺系統設計，主程序是一個(gè)死循環(huán)結構，通過(guò)函數調用和全局變量與子程序進(jìn)行參數傳遞[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，輸入信號處于死區則控制器不予響應，輸入信號不在死區而反饋信號處于死區則認為系統故障，切斷控制器。

7 結束語(yǔ)

本文針對電液伺服閥在實(shí)踐應用中的不足，設計了電液伺服閥控制器，顯著(zhù)提高了電液伺服閥在實(shí)踐應用中的穩定性和精確性。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)實(shí)際測試，該控制器實(shí)現了控制電液伺服閥穩定精確地輸出壓力，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工作更為可靠。