基于ATmega16 的電液伺服閥反饋控制器設計方案-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于ATmega16的電液伺服閥反饋控制器設計方案-設計應用導讀：ATmega16平臺的數(shù)字式液壓伺服閥反饋控制器，是針對電液伺服閥在實際工程應用中出現(xiàn)輸出壓力不穩(wěn)定、輸出壓力偏高或偏低的問題而設計的。該控制器采集伺服閥輸出壓力作為反饋信號構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用經典的增量式數(shù)字PID控制算法進行壓力調節(jié)。實際應用結果表明該數(shù)字式電液伺服閥反饋控制系統(tǒng)響應快速、輸出穩(wěn)定、輸出壓力精度高。

0引言

電液伺服閥在工程系統(tǒng)中有著廣泛的應用。盡管液壓系統(tǒng)具有維護困難、泄漏、噪聲比大等缺點，但是對于大功率的自動控制系統(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)應用領域的拓展，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，會出現(xiàn)伺服閥輸出壓力抖動過大、輸出壓力偏高或偏低的問題。故設計此電液伺服閥反饋控制器，可實現(xiàn)電液伺服閥穩(wěn)定地輸出壓力。

1總體設計

電液伺服閥反饋控制器控制芯片采用AT-mega16單片機，ATmega16采用先進的RISC結構，代碼執(zhí)行速度高，工作可靠穩(wěn)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。

考慮工程實際應用需求及系統(tǒng)集成化要求，將兩路控制電路集成使用一片ATmega16單片機實現(xiàn)控制。充分利用了單片機的資源，同時節(jié)約開發(fā)成本。

系統(tǒng)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行控制，控制電流范圍為4~40mA,對應輸出壓力為0~20MPa.ATmega16有8路10位的ADC,采集電壓的范圍為0~5V.因此需要將控制電流信號進行調理供單片機A/D口進行采集。

輸入信號采集電路主要由IV轉換電路和A/D采集電路組成，實現(xiàn)將4~40mA電流轉換為可供單片機采集的0~5V電壓。電路如圖2所示

輸入電流信號4~40mA經過精密電阻R21采集轉換為0.1~1V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(shù)計算公式為：

放大電路將電壓信號放大為0.5~5V.實際測試結果見表1

實測數(shù)據(jù)滿足設計要求。注意表1中行單片機采集后經D/A輸出電壓為0.66V,與放大電路輸出電壓0.49V有一定誤差。實際在輸入電流為0mA時，D/A也會輸出0.66V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VI轉換電路。

D/A輸出電路使用AD558芯片實現(xiàn)，單片機控制AD558輸出0~10V電壓。后級VI電路將0~10V電壓轉換為可達4~40mA范圍的電流信號以驅動電液伺服閥。

3.1D/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間等參數(shù)，同時還要注意使用的方便性。AD558是一款具有高轉換速度以及簡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(shù)字量輸入寬度；兩種電壓的輸出范圍，分別為0~10V和0~2.56V;相對精度±（12）LSB;高速1μs輸出轉換建立時間；單一電源供電，電源電壓的范圍4.5~16.5V;內部具有基準電壓源，不用外接基準源；內部集成有數(shù)據(jù)輸入鎖存器；低功耗，75mW.

AD558的兩種輸出選擇依賴于簡單的外部接線方式，如圖3所示

反饋控制器D/A輸出電路如圖4所示

實際測試效果見表1中D/A輸出。

3.2VI轉換電路

VI轉換電路將D/A輸出的電壓信號轉換為可達4~40mA范圍的電流信號，并且輸出電流與輸入電壓滿足線性關系。

在設計VI轉換電路時，考慮其帶載能力，使其在帶有一定負載時能穩(wěn)定輸出一定的電流信號而不受負載大小的影響。本文設計VI轉換電路帶載等效范圍為0~200Ω。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Rf產生反饋電壓Vf.經過電路分析可得：

實際VI電路測試結果見表2.

實測數(shù)據(jù)滿足設計要求。電路中Q1、Q2接成達林頓管形式以增強三極管驅動能力。二極管D4防止在控制器故障被切除時伺服閥電流倒流入控制器。

4故障切換電路

當系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)需要切除控制器，不對輸入電流做調節(jié)使其直接輸入伺服閥。在此選用模擬電路切換開關MAX4660來實現(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開關芯片。切換速度極快，控制簡單。具體參數(shù)為±15V供電；25Ω的低開啟電阻；1.5Ω的導通電阻；150mA持續(xù)電流；200mA峰值電流；低功耗，3mW.

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作為兩個選擇輸出端。IAD連接系統(tǒng)輸入信號采集電路，Iout連接伺服閥。

當系統(tǒng)正常工作時，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行控制調節(jié)。當系統(tǒng)故障時，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(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，并對其作出一定的改進以改善其性能，方便參數(shù)整定。

傳統(tǒng)增量式PID控制算法為：

這樣，對多個參數(shù)的整定調節(jié)問題簡化成了對一個參數(shù)KP的整定?？刂屏鞒倘鐖D8所示。

6系統(tǒng)軟件設計

軟件結構采用前后臺系統(tǒng)設計，主程序是一個死循環(huán)結構，通過函數(shù)調用和全局變量與子程序進行參數(shù)傳遞[5].軟件流程如圖9所示。

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

7結束語