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)控制過程中，設(shè)定信號(hào)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(duì)閥門開度控制信號(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)閥門轉(zhuǎn)角大小、開度百分比進(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)采用了性價(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)給定閥門開度指令信號(hào)，通過檢測(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)，通過驅(qū)動(dòng)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(hào)的輸入要用到ADC轉(zhuǎn)換模塊。
1．2 閥門位置信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)
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(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(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、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(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)過調(diào)理后便可送入控制器中進(jìn)行運(yùn)算，由式(1)可得。霍爾輸入經(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(jí)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(cè)中。根據(jù)運(yùn)算放大器虛短、虛斷的概念，計(jì)算過程如下：

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來的功率較小的信號(hào)放大為能驅(qū)動(dòng)IGBT開通關(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。