基于ATmega16L的電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)電液伺服閉環(huán)控制過(guò)程中，設(shè)定信號(hào)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(zhuǎn)換器，通過(guò)對(duì)閥門(mén)開(kāi)度控制信號(hào)和位置反饋信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算和比較，發(fā)出控制信號(hào)決定并執(zhí)行換向閥的換向、交流伺服電動(dòng)機(jī)的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，推動(dòng)液壓缸推桿的伸縮，進(jìn)而對(duì)閥門(mén)轉(zhuǎn)角大小、開(kāi)度百分比進(jìn)行精確定位。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)微處理器；伺服控制；閥門(mén)位置；RS 485通信

0 引言
    隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(tǒng)的直流控制技術(shù)，越來(lái)越多地應(yīng)用到各種工業(yè)控制領(lǐng)域中。現(xiàn)代制造行業(yè)的迅速崛起，對(duì)伺服控制系統(tǒng)的控制性能提出了更高的要求。要求提高伺服系統(tǒng)的移動(dòng)速度、跟隨精度和定位精度。而提高伺服控制系統(tǒng)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(jī)和測(cè)量裝置，提高伺服控制系統(tǒng)的硬件性能；二是采用新的控制策略，提高軟件系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)采用了性?xún)r(jià)比較高的單片機(jī)控制器取代傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理，智能控制器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、處理、記憶、存儲(chǔ)及通信等功能，具有較高的精度、較好的人機(jī)界面和故障診斷能力。

1 電液伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路由ATmega16L控制器及其最小系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)模塊、PWM輸出緩沖模塊、驅(qū)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(tǒng)包括單片機(jī)復(fù)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(jié)構(gòu)框圖。

1．1 ATmega16L控制器及其最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)給定閥門(mén)開(kāi)度指令信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)形成閉環(huán)系統(tǒng)，輸出PWM控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和控制主電路開(kāi)關(guān)管，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和閥門(mén)的開(kāi)度。位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸入要用到ADC轉(zhuǎn)換模塊。
1．2 閥門(mén)位置信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)
    在閥門(mén)智能控制系統(tǒng)中，通過(guò)控制液體的流量和壓力等參數(shù)來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)度值。調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)中介質(zhì)的流量，從而使控制參數(shù)符合要求。遠(yuǎn)程控制中心送來(lái)的設(shè)定信號(hào)可以是標(biāo)準(zhǔn)的DC 4～20 mA的電流信號(hào)，也可以是1～5 V的電壓信號(hào)。鍵盤(pán)設(shè)定的0～100 ％的開(kāi)度百分比，智能電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器通過(guò)狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)鍵來(lái)接收控制信號(hào)。
1．3 檢測(cè)及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)中需要檢測(cè)的信號(hào)包括負(fù)載電流、負(fù)載電壓、主電路母線(xiàn)電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)等。
    電流檢測(cè)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(yīng)工作的非接觸式傳感器，具有精度高、線(xiàn)性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)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(cè)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(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后便可送入控制器中進(jìn)行運(yùn)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點(diǎn)得到0～2．5 V的電壓UA，經(jīng)過(guò)運(yùn)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(jí)運(yùn)放的倍數(shù)可通過(guò)電阻匹配實(shí)現(xiàn)，所以同種電流可用于多處電流檢測(cè)中。根據(jù)運(yùn)算放大器虛短、虛斷的概念，計(jì)算過(guò)程如下：
   
1．4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)電路主要作用為將控制輸出信號(hào)放大并驅(qū)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(jī)效率與調(diào)節(jié)特性。
    本設(shè)計(jì)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(hào)放大為能驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)通關(guān)斷的功率較大的信號(hào)。對(duì)前級(jí)控制電路輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行光耦隔離。
1．5 PWM信號(hào)輸出緩沖電路
    單片機(jī)引腳輸入電壓為0～5 V，為避免測(cè)試或使用過(guò)程中將單片機(jī)引腳燒掉，所以在單片機(jī)的PWM輸出引腳后可加一級(jí)緩沖電路后再送入驅(qū)動(dòng)電路中。這樣，一方面避免單片機(jī)引腳直接與驅(qū)動(dòng)電路相連，另外一級(jí)非門(mén)緩沖電路可增加PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

2 電液伺服控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件程序模塊主要包括：系統(tǒng)自檢及其初始化模塊、數(shù)據(jù)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(shù)調(diào)節(jié)模塊、系統(tǒng)監(jiān)控程序模塊等。
2．1 主程序流程圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    其主要流程分為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制器內(nèi)部資源(看門(mén)狗、定時(shí)器、串行口、A／D轉(zhuǎn)換、I／O口設(shè)定、中斷向量等)及其外圍電路的初始化，數(shù)據(jù)采集及濾波處理、按鍵操作處理、參數(shù)調(diào)整及液晶顯示、故障檢測(cè)、系統(tǒng)過(guò)程監(jiān)控等。主程序流程圖如圖2所示。

2．2 整定參數(shù)調(diào)整模塊
    本智能控制器參數(shù)調(diào)整模塊主要是對(duì)控制系統(tǒng)的零點(diǎn)(ZERO)、靈敏度(PROP)、和行程(SPAN)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整。對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出電流“調(diào)零”、“調(diào)滿(mǎn)”或?qū)﹂y門(mén)開(kāi)度“調(diào)大”、“調(diào)小”時(shí)，傳統(tǒng)做法通常采用電位器或基準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校對(duì)，傳統(tǒng)的方法操作復(fù)雜、誤差較大、系統(tǒng)抗干擾性較弱。本設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，首先將零點(diǎn)、靈敏度、行程所對(duì)應(yīng)模擬量綱轉(zhuǎn)換為數(shù)字量綱，A／D轉(zhuǎn)換器分辨率為10位，即可以得出采樣點(diǎn)數(shù)為：N=210=1 024。
    本智能電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)零點(diǎn)調(diào)整范圍為全行程的0～20％，其對(duì)應(yīng)數(shù)字量綱為0～203，零點(diǎn)調(diào)整為一閉環(huán)控制調(diào)節(jié)過(guò)程，閥門(mén)開(kāi)度反饋值(BACK)經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換之后，并經(jīng)過(guò)換算處理，之后得到的數(shù)值為0～1 023。其位移傳感器轉(zhuǎn)角分布圖如圖3所示。其中ALLEND+ZERO為零點(diǎn)可調(diào)范圍，0ALL為位移傳感器運(yùn)行行程，當(dāng)|ZERO—BACK|≤PROP時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)將零點(diǎn)調(diào)整值與閥門(mén)的開(kāi)度反饋值作比較，根據(jù)比較結(jié)果確定電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)。圖4是設(shè)定零點(diǎn)過(guò)程流程圖。參照零點(diǎn)設(shè)定方法對(duì)行程進(jìn)行設(shè)定。

2．3 系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)監(jiān)控程序是單片機(jī)控制器按照預(yù)定的操作方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的程序。它完成人機(jī)對(duì)話(huà)和遠(yuǎn)程控制等功能，是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架。主要任務(wù)為系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤(pán)命令、處理接口命令、處理?xiàng)l件觸發(fā)并調(diào)度執(zhí)行模塊及完成顯示等。系統(tǒng)監(jiān)控流程圖如圖5所示。

3 控制系統(tǒng)的調(diào)試
    主控單元的調(diào)試是調(diào)試核心，其主要為ATmega16L微處理的數(shù)據(jù)處理。首先編寫(xiě)開(kāi)環(huán)控制程序，然后編寫(xiě)閉環(huán)控制智能算法。查看相應(yīng)的寄存器功能。閉環(huán)控制需要輸出調(diào)試完成后聯(lián)合模擬試驗(yàn)箱進(jìn)行調(diào)試。顯示單元調(diào)試通過(guò)液晶顯示控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，并且配合按鍵完成相應(yīng)的功能。數(shù)據(jù)輸出單元調(diào)試主要為D／A功能調(diào)試，運(yùn)放隔離調(diào)整電路的調(diào)試。通信輸出的調(diào)試主要觀(guān)察控制器向上位機(jī)輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)串口調(diào)試軟件進(jìn)行觀(guān)察。
    對(duì)該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器進(jìn)行小擾動(dòng)和大擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，其仿真結(jié)果如圖6，圖7所示。其中實(shí)線(xiàn)表示設(shè)定信號(hào)，虛線(xiàn)表示反饋信號(hào)。

    主要參數(shù)及其調(diào)試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本電液伺服控制系統(tǒng)采用性?xún)r(jià)比較高的ATmega16L微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬儀表，針對(duì)閥門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)速度在不同階段的變化情況，經(jīng)過(guò)閥門(mén)位置采集、檢測(cè)反饋模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制模塊等，成功地解決了閥門(mén)位置定位精準(zhǔn)度低這一難題。靈敏度較高、操作靈活、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)；有效地克服了突發(fā)性的停電或泵停工作、油管或水管、氣管內(nèi)部產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象等故障，進(jìn)而減少水錘沖擊。該設(shè)計(jì)已投入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。