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中有著廣泛的應用。盡管液壓系統具有維護困難、泄漏、噪聲比大等缺點，但是對于大功率的自動控制系統，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、動態響應快、成本低等。但由于外部環境的干擾或電液伺服閥本身的性能不足，會出現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，可實現電液伺服閥穩定精確地輸出壓力。

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，代碼執行速度高，工作可靠穩定。

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集成化要求，將兩路控制電路集成使用一片ATmega16單片機實現控制。充分利用了單片機的資源，同時節約開發成本。

系統總體結構如圖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

實測數據滿足設計要求。注意表1 中第一行單片機采集后經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，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，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;內部集成有數據輸入鎖存器;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V I 電路測試結果見表2.