摘 要：提出了一種參數(shù)和功能均可編程的數(shù)字比例放大器，既可用于氣動(dòng)比例減壓閥，也可作為數(shù)控橫流源用于力控型比例電磁鐵控制。硬件以Atmega16單片機(jī)為核心，結(jié)合PWM開關(guān)型功率驅(qū)動(dòng)電路及傳感器信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)了比例電磁鐵線圈電流測(cè)量和氣動(dòng)減壓閥壓力測(cè)量，軟件采用數(shù)字PID算法做閉環(huán)調(diào)節(jié)。該控制器其突出特點(diǎn)是PWM頻率、最大驅(qū)動(dòng)電流及PID參數(shù)等均可通過RS485總線編程燒寫在單片機(jī)的EEPROM內(nèi)。該放大器可滿足不同場(chǎng)合的控制要求。
關(guān)鍵詞：氣動(dòng)技術(shù)；比例放大器；數(shù)字PID
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在液壓控制系統(tǒng)中，采用比例控制技術(shù)可極大地降低控制回路的復(fù)雜度，具有可靠性高、節(jié)能、成本低的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用[1]。近年來，比例控制技術(shù)已逐步應(yīng)用到氣動(dòng)控制中[2]。其中比例放大器的數(shù)字化是比例控制元件的研究發(fā)展方向之一[3]。傳統(tǒng)的模擬式比例放大器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制參數(shù)需要通過改變阻容元件反復(fù)調(diào)整標(biāo)定，生產(chǎn)過程復(fù)雜，不但功能單一，而且產(chǎn)品調(diào)整修改困難[4]。本文提出了一種以Atmega16單片機(jī)為核心的數(shù)字式比例放大器，通過數(shù)字PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，即可用于力控型比例電磁鐵電流的精確調(diào)節(jié)，也可作為氣動(dòng)比例減壓閥的控制器。其功能和相關(guān)控制參數(shù)均通過上位計(jì)算機(jī)由485總線下載燒寫到單片機(jī)的EEPROM內(nèi)，使一種硬件可滿足不同控制需求場(chǎng)合，具有良好的多功能性、通用性和互換性[4]。
1 比例放大器硬件結(jié)構(gòu)
1.1 整體方案
比例放大器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以Atmega16單片機(jī)為核心，主要功能模塊包括電源、電磁鐵PWM驅(qū)動(dòng)、線圈電流測(cè)量、氣體壓力傳感器測(cè)量、485總線接口等。核心控制器選用Atmel公司的8位AVR 單片機(jī)Atmega16。這種單片機(jī)運(yùn)算速度快，可高達(dá)16? MIPS，內(nèi)置16? KB Flash 程序存儲(chǔ)器，1 KB 片內(nèi)SRAM，512 B的EEPROM可存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)，4通道PWM，最高16bit分辨率，片上8路10位ADC，其他功能包括SPI、UART接口和ISP程序下載，是一種高性能、功能豐富而又價(jià)格低廉的單片機(jī)[6]。為了提高控制性能和精度，通過單片機(jī)SPI總線外接一片12 bit 100 KB AD芯片MCP3208用于傳感器信號(hào)采集。比例放大器輸入設(shè)定信號(hào)為0～5 V電壓或4mA～20mA電流，通過信號(hào)調(diào)理輸入ADC采樣，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)字PID算法調(diào)節(jié)PWM輸出信號(hào)的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)比例電磁鐵線圈電流。線圈電流通過采樣電阻分壓放大濾波后進(jìn)入ADC，氣體壓力傳感器信號(hào)也通過信號(hào)放大濾波進(jìn)入ADC。這樣該放大器可分別實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)和壓力閉環(huán)控制。具體功能的選擇和PID等參數(shù)的配置則通過485總線接口由上位機(jī)寫入單片機(jī)的EEPROM內(nèi)。單片機(jī)復(fù)位時(shí)讀入EEPROM設(shè)置參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)功能。
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1.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)和電流測(cè)量電路
比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。線圈驅(qū)動(dòng)由單片機(jī)PWM輸出經(jīng)過Q1 實(shí)現(xiàn)開關(guān)電流調(diào)節(jié)。Q1選用開啟電壓僅為4V的NMOS功率管IRLR014。D1用肖特基二極管1N5824用于反向續(xù)流，再接一個(gè)瞬變電壓抑制二極管SMBJ26用于整體電路過壓保護(hù)。線圈電流為低邊電流測(cè)量，Rs為1 W 0.22Ω電流采樣電阻，通過R1、R2、R3、R4和U1構(gòu)成的差動(dòng)放大器進(jìn)行放大，R5、C4構(gòu)成一階RC濾波器用于ADC前端的抗混疊濾波。
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1.3 壓力傳感器測(cè)量電路
在用于氣動(dòng)減壓閥控制時(shí)，需要壓力反饋測(cè)量。壓力傳感器為壓阻橋式傳感器，直流5 V供電。為了提高輸入阻抗和測(cè)量精度，采用單電源儀表放大器AD623進(jìn)行前端放大。RG為增益調(diào)整電阻。后面由R12、C10進(jìn)行濾波去噪，再輸入ADC。壓力測(cè)量電路如圖3所示。
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2 控制器軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)控制軟件需要分別實(shí)現(xiàn)電流和壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，功能的切換和參數(shù)設(shè)置均通過485接口由上位PC機(jī)寫入單片機(jī)EEPROM內(nèi)，在單片機(jī)上電時(shí)讀入這些設(shè)置參數(shù)，再執(zhí)行相應(yīng)功能。因此，單片機(jī)軟件的核心模塊包括485通信接口、主程序、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)和壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊。通過上位PC機(jī)可編程設(shè)置的參數(shù)見表1。表中CtrlMode參數(shù)設(shè)置放大器的基本功能：放大器要實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制還是壓力閉環(huán)控制。PWM_FREQ參數(shù)設(shè)置PWM信號(hào)頻率，從500 Hz～30 kHz任意選擇，可適應(yīng)不同種比例電磁鐵控制特性。MaxCurrent和MaxPress分別用于設(shè)置輸入控制信號(hào)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大線圈電流和最高調(diào)定壓力。當(dāng)然這些參數(shù)還取決于外部其他相關(guān)環(huán)境參數(shù)，如線圈阻抗和供氣壓力等。Kp,Ki和Kd則對(duì)應(yīng)為PID調(diào)節(jié)的參數(shù)。Tramble表示顫震信號(hào)的幅度，根據(jù)需要可以編程設(shè)定。
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單片機(jī)控制程序分為主程序，線圈電流控制子程序、壓力閉環(huán)控制程序以及485通信接口程序。以電流閉環(huán)調(diào)節(jié)程序?yàn)槔?，選用常用的位置式離散PID規(guī)律。其控制算法為：
其中PID的系數(shù)由Ziegler-Nichols法確定[5]，再下載到單片機(jī)。
單片機(jī)主程序和485通信子程序流程分別如圖4(a)、(b)所示。
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本文提出了一種基于ATmega16單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字式比例放大器，通過電流測(cè)量和壓力測(cè)量相關(guān)調(diào)理電路，可用于比例電磁鐵恒流控制或氣動(dòng)比例減壓閥壓力調(diào)定。系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)均可通過485總線由上位機(jī)編程寫入單片機(jī)EEPROM內(nèi)永久保存。該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制器功能可編程設(shè)定，比傳統(tǒng)模擬式比例放大器更具有廣泛的靈活性和適用性。該方案為氣動(dòng)比例控制的比例放大器的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了一種有價(jià)值的參考。
參考文獻(xiàn)
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[2] 張?jiān)?，張?通用性比例閥數(shù)字放大器研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007，44(2) ：36-38.
[3] SMC（中國）有限公司編.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
[4] 袁坤，劉志和，羅安.電液比例方向節(jié)流閥數(shù)字控制放大器[J].機(jī)床與液壓，1999,27(6) ：44-47.
[5] YUN L,KIAM H A,GREGORY C Y C. PID control system analysis and design[J]. IEEE control systems magazine,2006,(2) ：32-41.
[6] ATMEL. Atmega16 datasheet[EB/OL].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2466.pdf.