基于ATmega16L微處理器的電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

針對電液伺服閉環(huán)控制過程中，設(shè)定信號不斷發(fā)生變化，電液閥門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，通過對閥門開度控制信號和位置反饋信號進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、計算和比較，發(fā)出控制信號決定并執(zhí)行換向閥的換向、交流伺服電動機(jī)的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，推動液壓缸推桿的伸縮，進(jìn)而對閥門轉(zhuǎn)角大小、開度百分比進(jìn)行精確定位。

隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、計算機(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)，越來越多地應(yīng)用到各種工業(yè)控制領(lǐng)域中?，F(xiàn)代制造行業(yè)的迅速崛起，對伺服控制系統(tǒng)的控制性能提出了更高的要求。要求提高伺服系統(tǒng)的移動速度、跟隨精度和定位精度。而提高伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能主要有以下兩個途徑：一是采用高性能的伺服電動機(jī)和測量裝置，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)計采用了性價比較高的單片機(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

硬件電路由ATmega16L控制器及其最小系統(tǒng)、信號檢測模塊、PWM輸出緩沖模塊、驅(qū)動電路、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

本系統(tǒng)給定閥門開度指令信號，通過檢測位置和轉(zhuǎn)速信號形成閉環(huán)系統(tǒng)，輸出PWM控制信號，通過驅(qū)動電路和控制主電路開關(guān)管，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和閥門的開度。位置和轉(zhuǎn)速信號的輸入要用到ADC轉(zhuǎn)換模塊。

1．2 閥門位置信號采集電路設(shè)計

在閥門智能控制系統(tǒng)中，通過控制液體的流量和壓力等參數(shù)來控制閥門開度值。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)程控制中心送來的設(shè)定信號可以是標(biāo)準(zhǔn)的DC 4～20 mA的電流信號，也可以是1～5 V的電壓信號。鍵盤設(shè)定的0～100 ％的開度百分比，智能電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器通過狀態(tài)選擇開關(guān)鍵來接收控制信號。

1．3 檢測及信號調(diào)理電路設(shè)計

系統(tǒng)中需要檢測的信號包括負(fù)載電流、負(fù)載電壓、主電路母線電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)工作的非接觸式傳感器，具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)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)過電阻后得到±2．5 V的電壓Ui，經(jīng)過偏移(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。此處后級運(yùn)放的倍數(shù)可通過電阻匹配實(shí)現(xiàn)，所以同種電流可用于多處電流檢測中。根據(jù)運(yùn)算放大器虛短、虛斷的概念，計算過程如下：

1．4 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路主要作用為將控制輸出信號放大并驅(qū)動功率晶體管。它輸出的脈沖幅值、波形直接影響到功率晶體管的開關(guān)特性、整機(jī)效率與調(diào)節(jié)特性。

本設(shè)計采用單相電壓型橋式逆變電路，功能是將控制板送過來的功率較小的信號放大為能驅(qū)動IGBT開通關(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(jī)引腳輸入電壓為0～5 V，為避免測試或使用過程中將單片機(jī)引腳燒掉，所以在單片機(jī)的PWM輸出引腳后可加一級緩沖電路后再送入驅(qū)動電路中。這樣，一方面避免單片機(jī)引腳直接與驅(qū)動電路相連，另外一級非門緩沖電路可增加PWM信號的驅(qū)動能力。

2 電液伺服控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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)計與實(shí)現(xiàn)

其主要流程分為：單片機(jī)控制器內(nèi)部資源(看門狗、定時器、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、系統(tǒng)過程監(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。對執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出電流“調(diào)零”、“調(diào)滿”或?qū)﹂y門開度“調(diào)大”、“調(diào)小”時，傳統(tǒng)做法通常采用電位器或基準(zhǔn)測量儀器進(jìn)行校對，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)過程，閥門開度反饋值(BACK)經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換之后，并經(jīng)過換算處理，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，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。與此同時，實(shí)時將零點(diǎn)調(diào)整值與閥門的開度反饋值作比較，根據(jù)比較結(jié)果確定電動機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)。圖4是設(shè)定零點(diǎn)過程流程圖。參照零點(diǎn)設(shè)定方法對行程進(jìn)行設(shè)定。

2．3 系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計
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)對話和遠(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。首先編寫開環(huán)控制程序，然后編寫閉環(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)試主要觀察控制器向上位機(jī)輸出數(shù)據(jù)，通過串口調(diào)試軟件進(jìn)行觀察。
對該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器進(jìn)行小擾動和大擾動實(shí)驗(yàn)，其仿真結(jié)果如圖6，圖7所示。其中實(shí)線表示設(shè)定信號，虛線表示反饋信號。

主要參數(shù)及其調(diào)試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語
本電液伺服控制系統(tǒng)采用性價比較高的ATmega16L微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬儀表，針對閥門運(yùn)轉(zhuǎn)速度在不同階段的變化情況，經(jīng)過閥門位置采集、檢測反饋模塊及電機(jī)驅(qū)動、正反轉(zhuǎn)控制模塊等，成功地解決了閥門位置定位精準(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)計已投入工業(yè)現(xiàn)場，運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。