針對電液伺服閉環(huán)控制過程中，設定信號不斷發(fā)生變化，電液閥門位置定位精確度較低的難題。采用ATmega16L作為核心控制器，并配有高精度A／D、D／A轉換器，通過對閥門開度控制信號和位置反饋信號進行采集、轉換、計算和比較，發(fā)出控制信號決定并執(zhí)行換向閥的換向、交流伺服電動機的起停運轉，推動液壓缸推桿的伸縮，進而對閥門轉角大小、開度百分比進行精確定位。

隨著電力電子技術、電機控制技術、計算機技術和傳感器技術的發(fā)展，交流伺服控制技術已逐步取代了傳統(tǒng)的直流控制技術，越來越多地應用到各種工業(yè)控制領域中。現(xiàn)代制造行業(yè)的迅速崛起，對伺服控制系統(tǒng)的控制性能提出了更高的要求。要求提高伺服系統(tǒng)的移動速度、跟隨精度和定位精度。而提高伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能主要有以下兩個途徑：一是采用高性能的伺服電動機和測量裝置，提高伺服控制系統(tǒng)的硬件性能；二是采用新的控制策略，提高軟件系統(tǒng)的性能。本設計采用了性價比較高的單片機控制器取代傳統(tǒng)的運算放大器實現(xiàn)信號的處理，智能控制器具有很強的數(shù)據采集、處理、記憶、存儲及通信等功能，具有較高的精度、較好的人機界面和故障診斷能力。

1 電液伺服控制系統(tǒng)的硬件設計

硬件電路由ATmega16L控制器及其最小系統(tǒng)、信號檢測模塊、PWM輸出緩沖模塊、驅動電路、RS 485通信模塊、液晶顯示及按鍵模塊組成。其中，ATmega16L控制器最小系統(tǒng)包括單片機復位電路、電源配置電路、時鐘電路等。圖1為控制器硬件組成結構框圖。

1．1 ATmega16L控制器及其最小系統(tǒng)電路設計

本系統(tǒng)給定閥門開度指令信號，通過檢測位置和轉速信號形成閉環(huán)系統(tǒng)，輸出PWM控制信號，通過驅動電路和控制主電路開關管，進而控制電機的轉速和閥門的開度。位置和轉速信號的輸入要用到ADC轉換模塊。

1．2 閥門位置信號采集電路設計

在閥門智能控制系統(tǒng)中，通過控制液體的流量和壓力等參數(shù)來控制閥門開度值。調節(jié)管道系統(tǒng)中介質的流量，從而使控制參數(shù)符合要求。遠程控制中心送來的設定信號可以是標準的DC 4～20 mA的電流信號，也可以是1～5 V的電壓信號。鍵盤設定的0～100 ％的開度百分比，智能電液執(zhí)行機構控制器通過狀態(tài)選擇開關鍵來接收控制信號。

1．3 檢測及信號調理電路設計

系統(tǒng)中需要檢測的信號包括負載電流、負載電壓、主電路母線電壓、電機轉速信號等。

電流檢測采用霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器是一種利用霍爾效應工作的非接觸式傳感器，具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點，并且已經有比較成熟的工業(yè)產品。

電流檢測的霍爾電流傳感器匝比為2 000：1，傳感器送出的弱電流信號經過調理后便可送入控制器中進行運算，由式(1)可得。霍爾輸入經過電阻后得到±2．5 V的電壓Ui，經過偏移(TL431的輸出電壓為2．5 V)后在A點得到0～2．5 V的電壓UA，經過運算放大器放大后在輸出端得到0～2．5 V的電壓Uo，可直接送入ATmega16L中進行處理。此處后級運放的倍數(shù)可通過電阻匹配實現(xiàn)，所以同種電流可用于多處電流檢測中。根據運算放大器虛短、虛斷的概念，計算過程如下：

1．4 驅動電路設計

驅動電路主要作用為將控制輸出信號放大并驅動功率晶體管。它輸出的脈沖幅值、波形直接影響到功率晶體管的開關特性、整機效率與調節(jié)特性。

本設計采用單相電壓型橋式逆變電路，功能是將控制板送過來的功率較小的信號放大為能驅動IGBT開通關斷的功率較大的信號。對前級控制電路輸出的PWM信號進行光耦隔離。

1．5 PWM信號輸出緩沖電路

單片機引腳輸入電壓為0～5 V，為避免測試或使用過程中將單片機引腳燒掉，所以在單片機的PWM輸出引腳后可加一級緩沖電路后再送入驅動電路中。這樣，一方面避免單片機引腳直接與驅動電路相連，另外一級非門緩沖電路可增加PWM信號的驅動能力。

2 電液伺服控制系統(tǒng)的軟件設計

軟件程序模塊主要包括：系統(tǒng)自檢及其初始化模塊、數(shù)據信息采集模塊、鍵盤的操作及其處理模塊、(零點、靈敏度、行程)主要參數(shù)調節(jié)模塊、系統(tǒng)監(jiān)控程序模塊等。

2．1 主程序流程圖設計與實現(xiàn)

其主要流程分為：單片機控制器內部資源(看門狗、定時器、串行口、A／D轉換、I／O口設定、中斷向量等)及其外圍電路的初始化，數(shù)據采集及濾波處理、按鍵操作處理、參數(shù)調整及液晶顯示、故障檢測、系統(tǒng)過程監(jiān)控等。主程序流程圖如圖2所示。

2．2 整定參數(shù)調整模塊

本智能控制器參數(shù)調整模塊主要是對控制系統(tǒng)的零點(ZERO)、靈敏度(PROP)、和行程(SPAN)進行設定和調整。對執(zhí)行機構輸出電流“調零”、“調滿”或對閥門開度“調大”、“調小”時，傳統(tǒng)做法通常采用電位器或基準測量儀器進行校對，傳統(tǒng)的方法操作復雜、誤差較大、系統(tǒng)抗干擾性較弱。本設計在此基礎上進行改進，首先將零點、靈敏度、行程所對應模擬量綱轉換為數(shù)字量綱，A／D轉換器分辨率為10位，即可以得出采樣點數(shù)為：N=210=1 024。

本智能電液執(zhí)行機構零點調整范圍為全行程的0～20％，其對應數(shù)字量綱為0～203，零點調整為一閉環(huán)控制調節(jié)過程，閥門開度反饋值(BACK)經模／數(shù)轉換之后，并經過換算處理，之后得到的數(shù)值為0～1 023。其位移傳感器轉角分布圖如圖3所示。其中ALLEND+ZERO為零點可調范圍，0ALL為位移傳感器運行行程，當|ZERO—BACK|≤PROP時，電動機停止轉動。與此同時，實時將零點調整值與閥門的開度反饋值作比較，根據比較結果確定電動機正反轉運行狀態(tài)。圖4是設定零點過程流程圖。參照零點設定方法對行程進行設定。

2．3 系統(tǒng)監(jiān)控程序設計
系統(tǒng)監(jiān)控程序是單片機控制器按照預定的操作方式進行運轉的程序。它完成人機對話和遠程控制等功能，是單片機系統(tǒng)程序的框架。主要任務為系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理條件觸發(fā)并調度執(zhí)行模塊及完成顯示等。系統(tǒng)監(jiān)控流程圖如圖5所示。

3 控制系統(tǒng)的調試
主控單元的調試是調試核心，其主要為ATmega16L微處理的數(shù)據處理。首先編寫開環(huán)控制程序，然后編寫閉環(huán)控制智能算法。查看相應的寄存器功能。閉環(huán)控制需要輸出調試完成后聯(lián)合模擬試驗箱進行調試。顯示單元調試通過液晶顯示控制系統(tǒng)的各項參數(shù)，并且配合按鍵完成相應的功能。數(shù)據輸出單元調試主要為D／A功能調試，運放隔離調整電路的調試。通信輸出的調試主要觀察控制器向上位機輸出數(shù)據，通過串口調試軟件進行觀察。
對該執(zhí)行機構的控制器進行小擾動和大擾動實驗，其仿真結果如圖6，圖7所示。其中實線表示設定信號，虛線表示反饋信號。

主要參數(shù)及其調試結果如表1所示。

4 結語
本電液伺服控制系統(tǒng)采用性價比較高的ATmega16L微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬儀表，針對閥門運轉速度在不同階段的變化情況，經過閥門位置采集、檢測反饋模塊及電機驅動、正反轉控制模塊等，成功地解決了閥門位置定位精準度低這一難題。靈敏度較高、操作靈活、響應速度快、抗干擾性強；有效地克服了突發(fā)性的停電或泵停工作、油管或水管、氣管內部產生的水錘現(xiàn)象等故障，進而減少水錘沖擊。該設計已投入工業(yè)現(xiàn)場，運行平穩(wěn)，達到預期目標。