基于ATmega16L的电液伺服控制系统设计

摘要：针对电液伺服闭环控制过程中，设定信号不断发生变化，电液阀门位置定位精确度较低的难题。采用ATmega16L作为核心控制器，并配有高精度A／D、D／A转换器，通过对阀门开度控制信号和位置反馈信号进行采集、转换、计算和比较，发出控制信号决定并执行换向阀的换向、交流伺服电动机的起停运转，推动液压缸推杆的伸缩，进而对阀门转角大小、开度百分比进行精确定位。
关键词：单片机微处理器；伺服控制；阀门位置；RS 485通信

0 引言
    随着电力电子技术、电机控制技术、计算机技术和传感器技术的发展，交流伺服控制技术已逐步取代了传统的直流控制技术，越来越多地应用到各种工业控制领域中。现代制造行业的迅速崛起，对伺服控制系统的控制性能提出了更高的要求。要求提高伺服系统的移动速度、跟随精度和定位精度。而提高伺服控制系统的动态性能主要有以下两个途径：一是采用高性能的伺服电动机和测量装置，提高伺服控制系统的硬件性能；二是采用新的控制策略，提高软件系统的性能。本设计采用了性价比较高的单片机控制器取代传统的运算放大器实现信号的处理，智能控制器具有很强的数据采集、处理、记忆、存储及通信等功能，具有较高的精度、较好的人机界面和故障诊断能力。

1 电液伺服控制系统的硬件设计
    硬件电路由ATmega16L控制器及其最小系统、信号检测模块、PWM输出缓冲模块、驱动电路、RS 485通信模块、液晶显示及按键模块组成。其中，ATmega16L控制器最小系统包括单片机复位电路、电源配置电路、时钟电路等。图1为控制器硬件组成结构框图。

1．1 ATmega16L控制器及其最小系统电路设计
    本系统给定阀门开度指令信号，通过检测位置和转速信号形成闭环系统，输出PWM控制信号，通过驱动电路和控制主电路开关管，进而控制电机的转速和阀门的开度。位置和转速信号的输入要用到ADC转换模块。
1．2 阀门位置信号采集电路设计
    在阀门智能控制系统中，通过控制液体的流量和压力等参数来控制阀门开度值。调节管道系统中介质的流量，从而使控制参数符合要求。远程控制中心送来的设定信号可以是标准的DC 4～20 mA的电流信号，也可以是1～5 V的电压信号。键盘设定的0～100 ％的开度百分比，智能电液执行机构控制器通过状态选择开关键来接收控制信号。
1．3 检测及信号调理电路设计
    系统中需要检测的信号包括负载电流、负载电压、主电路母线电压、电机转速信号等。
    电流检测采用霍尔电流传感器，霍尔电流传感器是一种利用霍尔效应工作的非接触式传感器，具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，并且已经有比较成熟的工业产品。
    电流检测的霍尔电流传感器匝比为2 000：1，传感器送出的弱电流信号经过调理后便可送入控制器中进行运算，由式(1)可得。霍尔输入经过电阻后得到±2．5 V的电压Ui，经过偏移(TL431的输出电压为2．5 V)后在A点得到0～2．5 V的电压UA，经过运算放大器放大后在输出端得到0～2．5 V的电压Uo，可直接送入ATmega16L中进行处理。此处后级运放的倍数可通过电阻匹配实现，所以同种电流可用于多处电流检测中。根据运算放大器虚短、虚断的概念，计算过程如下：
   
1．4 驱动电路设计
    驱动电路主要作用为将控制输出信号放大并驱动功率晶体管。它输出的脉冲幅值、波形直接影响到功率晶体管的开关特性、整机效率与调节特性。
    本设计采用单相电压型桥式逆变电路，功能是将控制板送过来的功率较小的信号放大为能驱动IGBT开通关断的功率较大的信号。对前级控制电路输出的PWM信号进行光耦隔离。
1．5 PWM信号输出缓冲电路
    单片机引脚输入电压为0～5 V，为避免测试或使用过程中将单片机引脚烧掉，所以在单片机的PWM输出引脚后可加一级缓冲电路后再送入驱动电路中。这样，一方面避免单片机引脚直接与驱动电路相连，另外一级非门缓冲电路可增加PWM信号的驱动能力。

2 电液伺服控制系统的软件设计
    软件程序模块主要包括：系统自检及其初始化模块、数据信息采集模块、键盘的操作及其处理模块、(零点、灵敏度、行程)主要参数调节模块、系统监控程序模块等。
2．1 主程序流程图设计与实现
    其主要流程分为：单片机控制器内部资源(看门狗、定时器、串行口、A／D转换、I／O口设定、中断向量等)及其外围电路的初始化，数据采集及滤波处理、按键操作处理、参数调整及液晶显示、故障检测、系统过程监控等。主程序流程图如图2所示。

2．2 整定参数调整模块
    本智能控制器参数调整模块主要是对控制系统的零点(ZERO)、灵敏度(PROP)、和行程(SPAN)进行设定和调整。对执行机构输出电流“调零”、“调满”或对阀门开度“调大”、“调小”时，传统做法通常采用电位器或基准测量仪器进行校对，传统的方法操作复杂、误差较大、系统抗干扰性较弱。本设计在此基础上进行改进，首先将零点、灵敏度、行程所对应模拟量纲转换为数字量纲，A／D转换器分辨率为10位，即可以得出采样点数为：N=210=1 024。
    本智能电液执行机构零点调整范围为全行程的0～20％，其对应数字量纲为0～203，零点调整为一闭环控制调节过程，阀门开度反馈值(BACK)经模／数转换之后，并经过换算处理，之后得到的数值为0～1 023。其位移传感器转角分布图如图3所示。其中ALLEND+ZERO为零点可调范围，0ALL为位移传感器运行行程，当|ZERO—BACK|≤PROP时，电动机停止转动。与此同时，实时将零点调整值与阀门的开度反馈值作比较，根据比较结果确定电动机正反转运行状态。图4是设定零点过程流程图。参照零点设定方法对行程进行设定。

2．3 系统监控程序设计
    系统监控程序是单片机控制器按照预定的操作方式进行运转的程序。它完成人机对话和远程控制等功能，是单片机系统程序的框架。主要任务为系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发并调度执行模块及完成显示等。系统监控流程图如图5所示。

3 控制系统的调试
    主控单元的调试是调试核心，其主要为ATmega16L微处理的数据处理。首先编写开环控制程序，然后编写闭环控制智能算法。查看相应的寄存器功能。闭环控制需要输出调试完成后联合模拟试验箱进行调试。显示单元调试通过液晶显示控制系统的各项参数，并且配合按键完成相应的功能。数据输出单元调试主要为D／A功能调试，运放隔离调整电路的调试。通信输出的调试主要观察控制器向上位机输出数据，通过串口调试软件进行观察。
    对该执行机构的控制器进行小扰动和大扰动实验，其仿真结果如图6，图7所示。其中实线表示设定信号，虚线表示反馈信号。

    主要参数及其调试结果如表1所示。

4 结语
    本电液伺服控制系统采用性价比较高的ATmega16L微处理器代替传统的模拟仪表，针对阀门运转速度在不同阶段的变化情况，经过阀门位置采集、检测反馈模块及电机驱动、正反转控制模块等，成功地解决了阀门位置定位精准度低这一难题。灵敏度较高、操作灵活、响应速度快、抗干扰性强；有效地克服了突发性的停电或泵停工作、油管或水管、气管内部产生的水锤现象等故障，进而减少水锤冲击。该设计已投入工业现场，运行平稳，达到预期目标。