一種基于ATmega16 的電液伺服閥反饋控制器設計方案

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)定精確地輸出壓力。

1 總體設計

電液伺服閥反饋控制器核心控制芯片采用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4~40 mA,對應輸出壓力為0~20 MPa.ATmega16有8路10位的ADC,采集電壓的范圍為0~5 V.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I V 轉換電路和A/D 采集電路組成，實現(xiàn)將4~40 mA電流轉換為可供單片機采集的0~5 V電壓。電路如圖2所示

輸入電流信號4~40 mA 經(jīng)過精密電阻R21 采集轉換為0.1~1 V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0.5~5 V.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 中第一行單片機采集后經(jīng)D/A輸出電壓為0.66 V,與放大電路輸出電壓0.49 V有一定誤差。實際在輸入電流為0 mA時，D/A也會輸出0.66 V 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V I 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0~10 V電壓。后級V I 電路將0~10 V電壓轉換為可達4~40 mA范圍的電流信號以驅動電液伺服閥。

3.1 D/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0~10 V和0~2.56 V;相對精度±(1 2 )LSB;高速1 μs輸出轉換建立時間;單一電源供電，電源電壓的范圍4.5~16.5 V;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，75 mW.

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。

3.2 V I 轉換電路

V I 轉換電路將D/A 輸出的電壓信號轉換為可達4~40 mA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V I 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)定精確輸出一定的電流信號而不受負載大小的影響。本文設計V I 轉換電路帶載等效范圍為0~200 Ω。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(chǎn)生反饋電壓Vf.經(jīng)過電路分析可得：

實際V I 電路測試結果見表2.