一種超低頻伺服控制器的設(shè)計

王 直 ，王劉柱 ，丁建軍 ，施曉敏

（1.江蘇科技大學(xué) 電信學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中船重工第七零四研究所，上海 200031）

電液伺服閥控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要組成部分。由于它具有線性好、死區(qū)小、靈敏度高、動態(tài)性能好、響應(yīng)快和精度高等顯著優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計了一種超低頻伺服控制器，它以微處理器產(chǎn)生控制信號，控制伺服閥運動，以位移傳感器實時檢測伺服閥的位置，實現(xiàn)實時跟蹤和精確定位，能夠很好地控制伺服閥運動。伺服控制的設(shè)計主要是伺服控制器以及相應(yīng)的控制算法的研究。本文實現(xiàn)了微處理器技術(shù)和液壓伺服控制技術(shù)的完美結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了以微處理器為核心的高實時性、高穩(wěn)定性、高跟蹤精度的伺服控制器。

1 超低頻伺服控制器

近年來電液伺服控制技術(shù)的發(fā)展非常迅速，覆蓋從民用機械到精確打擊武器等關(guān)鍵國民經(jīng)濟領(lǐng)域。作為輔助設(shè)備——伺服控制器的應(yīng)用場合也越來越多。電液伺服運動控制主要是以液壓缸、液壓馬達為執(zhí)行單元，以比例閥或伺服閥配放大器為功率放大單元，以位置、速度或壓力傳感器組成信號反饋單元，配以必要的控制單元組成閉環(huán)運動控制系統(tǒng)。超低頻伺服控制器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 信號發(fā)生器模塊

圖1 超低頻伺服控制器系統(tǒng)框圖

信號發(fā)生器模塊采用美國ADI公司生產(chǎn)的12 bit高精度D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC8420。該DAC具有高速串行接口，功耗低且電源選擇廣泛（單+5 V～±15 V均可），并可選擇單極或雙極模式，能廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)控制和過程自動化控制ATE中[2]。該芯片在處理器芯片的控制下，產(chǎn)生控制伺服閥位移的三角波指令信號，三角波的幅值范圍為-5 V～+5 V，頻率范圍為 0.010 Hz～0.099 Hz。考慮到信號發(fā)生器輸出的三角波的幅值是雙極性的，因此D/A轉(zhuǎn)換芯片的基準電壓也為雙電源供電。為了使信號的正負極性能夠精確對稱，本設(shè)計選用了能夠產(chǎn)生精確對稱的正負電壓芯片AD588。AD588是由ADI公司生產(chǎn)的先進的單芯片基準電壓源，具有低初始誤差和低溫度漂移特性，能夠保持基準電壓源的精度，適合用作要求12 bit絕對精度的精密測量應(yīng)用的系統(tǒng)基準電壓源。圖2為信號發(fā)生器模塊電路圖。

圖2 信號發(fā)生器模塊電路

信號發(fā)生器的功能主要是產(chǎn)生控制伺服閥線圈運動的初始信號。該初始信號主要是由主控制芯片STC11F08XE的P2口通過編程控制D/A轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的頻率范圍為 0.010 Hz～0.099 Hz、幅值范圍為-5 V～+5 V的三角波信號。單片機控制DAC工作的過程如下：單片機向DAC寫數(shù)據(jù)時，先將片選信號D/A_CS（CS端）置0，并將D/A_LD信號（異步 DAC寄存器載入控制）置1，然后由D/A_SDI（串行數(shù)據(jù)輸入）引腳將符合DAC8420格式的數(shù)據(jù)分為2 B輸入串／并轉(zhuǎn)換寄存器。D/A_SDI輸入的16 bit數(shù)據(jù)中，前2 bit A1、A2用于選擇寄存器A～D，后12 bit D11～D0是具體數(shù)值。解碼器根據(jù)前 2 bit數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)將移入的寄存器。當數(shù)據(jù)輸入完畢后，再將D/A_LD置0，并在D/A_LD的下降沿將數(shù)據(jù)移入寄存器 A～D，最后將 D/A_LD置 1、D/A_CS置 1，以完成一次轉(zhuǎn)換。DAC8420的數(shù)據(jù)載入時序圖如圖3所示。CLR為異步清除信號，低電平有效，它將內(nèi)部寄存器A～D置0（CLSEL為低時），或者置為中間值（CLSEL為高時），但數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換寄存器時不受該控制信號的影響[2]。

圖3 DAC8420數(shù)據(jù)載入時序圖

2.2 反饋信號調(diào)理模塊

反饋信號調(diào)理模塊是為了將傳感器輸出的信號和信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號相匹配，所設(shè)計的模塊如圖4所示。該模塊采用LM324四運放集成電路，該運放內(nèi)部含有4組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，4組運放相互獨立，并且每個運放都有相位補償電路。同時，LM324可單電源或雙電源供電，電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小。單電源供電時，電源電壓范圍為3 V～30 V；雙電源供電時，電源電壓范圍為±1.5 V～15 V。

反饋信號由FBI點接入反饋調(diào)理電路，其中RP1用來對運放的零點漂移進行調(diào)節(jié)，使其在輸入為零時，運放的輸出也為零。RP2是用來調(diào)增益的，主要是由于基于不同傳感器的輸入信號有可能不相同，因此用一個可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將信號調(diào)整到符合后級電路所要求的信號。齊納二極管D1和D2組成限幅電路，主要是為了在電路中出現(xiàn)過沖或有較大的噪聲干擾時保護后級電路。兩組電容C1、C2和C3、C4主要是用于濾除電源的紋波和高頻干擾。

圖4 反饋調(diào)理模塊電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊采用B-B（Burr-Brown）公司生產(chǎn)的低功耗、+5 V單電源供電的12 bit串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7812。該A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包含一個帶有采樣/保持（S/H）電路、基于電容的逐次逼近型（SAR）A/D、內(nèi)部時鐘電路、內(nèi)部基準產(chǎn)生電路和串行數(shù)據(jù)接口電路等[3]。同時，該芯片的采樣速率在常溫下最高可達40 kHz，即A/D轉(zhuǎn)換時間小于20 μs，且適應(yīng)不同的輸入電壓范圍，最大功耗小于50 mW，省電模式時的功耗僅為50 μW。

A/D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)主要是由處理器芯片控制ADS7812，使從位移傳感器輸入的信號經(jīng)ADS7812轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)單片機處理成速度信號后在數(shù)碼管上顯示。本設(shè)計是基于外部時鐘的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，如圖5所示。由圖可知，引腳R1IN接VIN，R2IN接 BUF，R3IN接GND，此時，模擬輸入范圍為±10 V，輸入阻抗為45.7 kΩ。當AD_CV由高電平轉(zhuǎn)為低電平時，在AD_CV的下降沿ADS7812由采樣狀態(tài)轉(zhuǎn)入保持狀態(tài)，并啟動A／D轉(zhuǎn)換。同時，前一次 A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果在AD_CK時鐘的控制下從AD_DA端串行輸出，且MSB位首先移出，數(shù)據(jù)格式為二進制補碼。在轉(zhuǎn)換期間，AD_BY保持低電平，且輸入端AD_CV的狀態(tài)被忽略。為了提高A/D轉(zhuǎn)換電路的抗干擾能力，在A/D轉(zhuǎn)換期間應(yīng)保持AD_CV的狀態(tài)不變，同時，電源引腳的濾波電容和參考電壓的濾波電容都應(yīng)該用濾波效果更好的鉭電容。

圖5 采用外部時鐘的A/D轉(zhuǎn)換電路模塊

2.4 伺服閥驅(qū)動模塊

伺服驅(qū)動模塊主要是指伺服放大器，即驅(qū)動電液伺服閥的直流功率放大器，其前置級為前置放大電路，功率級為電流放大電路[4]。前置放大電路的作用是把輸入的初始指令信號和傳感器反饋輸入信號進行比較和放大。該電路INS、FBO分別為輸入信號和反饋信號，通過電位器RP4調(diào)節(jié)電路增益，使其適應(yīng)功率放大電路的要求，使電路電壓前后級達到匹配。調(diào)零電路的作用是通過疊加可調(diào)電壓，調(diào)整電路基準電壓。通過調(diào)節(jié)電位器進行零偏補償，克服伺服放大器系統(tǒng)偏置。功率放大電路的作用是將小功率電壓信號轉(zhuǎn)換放大為功率較大的電流信號，以便提供足夠的伺服閥額定電流，以驅(qū)動負載。由于要求有良好的抗干擾能力和靜、動態(tài)性能，該電路利用NPN和PNP型三極管的基極和發(fā)射級相互連接在一起，信號從基極輸入，發(fā)射極輸出。該電路可看成由2個射極輸出器組合而成，構(gòu)成推挽功率放大電路，分別在輸入信號正負半周期內(nèi)工作[5]。此外，本電路還增加了限幅電路，防止過沖。伺服驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 伺服驅(qū)動電路模塊

2.5 其他模塊

其他模塊主要包括串口通信模塊、顯示模塊和按鍵模塊。串口通信模塊主要是RS232串口通信，實現(xiàn)該控制器與上位機的通信和調(diào)試。顯示模塊主要是用來顯示初始信號的頻率設(shè)定值和工作過程中被測儀器的速度值?？紤]到設(shè)計的方便和簡潔，本設(shè)計選用了串行輸入、串行輸出、共陰極新型LED顯示驅(qū)動器MAX7219。該芯片占用CPU的I/O口線少，且亮度可控，一片芯片就可以驅(qū)動8 bit 7段數(shù)碼管。按鍵模塊采用的是中斷實現(xiàn)的方式，避免占用過多的CPU資源。

3 軟件流程設(shè)計

軟件的主要作用就是在系統(tǒng)上電后運行主控制程序，實現(xiàn)所要完成的控制動作。程序主要完成的是軟硬件初始化、通信端口的初始化以及各個系統(tǒng)參數(shù)的初始值設(shè)定。初始化完成后，系統(tǒng)逐步執(zhí)行控制算法完成預(yù)定的控制。系統(tǒng)軟件部分主要由主程序和中斷程序組成。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

中斷程序由T0中斷和T1中斷構(gòu)成。T0中斷程序主要用來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的三角波函數(shù)；T1中斷程序主要用來設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的時間間隔和啟動A/D轉(zhuǎn)換子程序及計算速度子程序。圖8為中斷程序框圖。

圖8 中斷程序框圖

本文給出了一種基于單片機技術(shù)和液壓伺服控制技術(shù)的電液伺服控制的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。實驗證明，該設(shè)計緊湊靈活，控制算法完全由控制器完成，使用RS232串口通信方式傳輸實驗數(shù)據(jù)安全可靠。

[1]陳仁偉，朱長青，王軍陣，等.基于 CH372的 USB虛擬交流電壓表的設(shè)計與實現(xiàn)[J].應(yīng)用天地，2009，29（9）：69-72.

[2]呂秋霞.四路輸出D／A轉(zhuǎn)換器DAC 8420及其應(yīng)用[J].國外電子元器件，2004（8）：62-63.

[3]卜廣炎.串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS7812與單片機的接口技術(shù)[J].儀表技術(shù)，2001（3）：33-34.

[4]周恩濤，張棟，李井杰，等.伺服放大器的設(shè)計及特性仿真[J].機床與液壓，2006（2）：113-115.

[5]陳新元，盧云丹.伺服放大器的設(shè)計及特性分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（2）：63-64.

[6]張欣，孫宏昌，尹霞.單片機原理與C51程序設(shè)計基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[7]張毅剛，彭喜元.單片機原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.