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(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快和精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種超低頻伺服控制器，它以微處理器產(chǎn)生控制信號(hào)，控制伺服閥運(yùn)動(dòng)，以位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)伺服閥的位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤和精確定位，能夠很好地控制伺服閥運(yùn)動(dòng)。伺服控制的設(shè)計(jì)主要是伺服控制器以及相應(yīng)的控制算法的研究。本文實(shí)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了以微處理器為核心的高實(shí)時(shí)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(lái)電液伺服控制技術(shù)的發(fā)展非常迅速，覆蓋從民用機(jī)械到精確打擊武器等關(guān)鍵國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。作為輔助設(shè)備——伺服控制器的應(yīng)用場(chǎng)合也越來(lái)越多。電液伺服運(yùn)動(dòng)控制主要是以液壓缸、液壓馬達(dá)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(hào)反饋單元，配以必要的控制單元組成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)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(jì)

2.1 信號(hào)發(fā)生器模塊

圖1 超低頻伺服控制器系統(tǒng)框圖

信號(hào)發(fā)生器模塊采用美國(guó)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(guò)程自動(dòng)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(hào)，三角波的幅值范圍為-5 V～+5 V，頻率范圍為 0.010 Hz～0.099 Hz?？紤]到信號(hào)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(zhǔn)電壓也為雙電源供電。為了使信號(hào)的正負(fù)極性能夠精確對(duì)稱(chēng)，本設(shè)計(jì)選用了能夠產(chǎn)生精確對(duì)稱(chēng)的正負(fù)電壓芯片AD588。AD588是由ADI公司生產(chǎn)的先進(jìn)的單芯片基準(zhǔn)電壓源，具有低初始誤差和低溫度漂移特性，能夠保持基準(zhǔn)電壓源的精度，適合用作要求12 bit絕對(duì)精度的精密測(cè)量應(yīng)用的系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源。圖2為信號(hào)發(fā)生器模塊電路圖。

圖2 信號(hào)發(fā)生器模塊電路

信號(hào)發(fā)生器的功能主要是產(chǎn)生控制伺服閥線圈運(yùn)動(dòng)的初始信號(hào)。該初始信號(hào)主要是由主控制芯片STC11F08XE的P2口通過(guò)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(hào)。單片機(jī)控制DAC工作的過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)向DAC寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，先將片選信號(hào)D/A_CS（CS端）置0，并將D/A_LD信號(hào)（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(dāng)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(shí)序圖如圖3所示。CLR為異步清除信號(hào)，低電平有效，它將內(nèi)部寄存器A～D置0（CLSEL為低時(shí)），或者置為中間值（CLSEL為高時(shí)），但數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換寄存器時(shí)不受該控制信號(hào)的影響[2]。

圖3 DAC8420數(shù)據(jù)載入時(shí)序圖

2.2 反饋信號(hào)調(diào)理模塊

反饋信號(hào)調(diào)理模塊是為了將傳感器輸出的信號(hào)和信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)相匹配，所設(shè)計(jì)的模塊如圖4所示。該模塊采用LM324四運(yùn)放集成電路，該運(yùn)放內(nèi)部含有4組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，4組運(yùn)放相互獨(dú)立，并且每個(gè)運(yùn)放都有相位補(bǔ)償電路。同時(shí)，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(shí)，電源電壓范圍為3 V～30 V；雙電源供電時(shí)，電源電壓范圍為±1.5 V～15 V。

反饋信號(hào)由FBI點(diǎn)接入反饋調(diào)理電路，其中RP1用來(lái)對(duì)運(yùn)放的零點(diǎn)漂移進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在輸入為零時(shí)，運(yùn)放的輸出也為零。RP2是用來(lái)調(diào)增益的，主要是由于基于不同傳感器的輸入信號(hào)有可能不相同，因此用一個(gè)可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將信號(hào)調(diào)整到符合后級(jí)電路所要求的信號(hào)。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(guò)沖或有較大的噪聲干擾時(shí)保護(hù)后級(jí)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(gè)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(shí)鐘電路、內(nèi)部基準(zhǔn)產(chǎn)生電路和串行數(shù)據(jù)接口電路等[3]。同時(shí)，該芯片的采樣速率在常溫下最高可達(dá)40 kHz，即A/D轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)的功耗僅為50 μW。

A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)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(hào)經(jīng)ADS7812轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)單片機(jī)處理成速度信號(hào)后在數(shù)碼管上顯示。本設(shè)計(jì)是基于外部時(shí)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(shí)，模擬輸入范圍為±10 V，輸入阻抗為45.7 kΩ。當(dāng)AD_CV由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，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(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。同時(shí)，前一次 A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果在AD_CK時(shí)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(jìn)制補(bǔ)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(shí)，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(shí)鐘的A/D轉(zhuǎn)換電路模塊

2.4 伺服閥驅(qū)動(dòng)模塊

伺服驅(qū)動(dòng)模塊主要是指伺服放大器，即驅(qū)動(dòng)電液伺服閥的直流功率放大器，其前置級(jí)為前置放大電路，功率級(jí)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(hào)和傳感器反饋輸入信號(hào)進(jìn)行比較和放大。該電路INS、FBO分別為輸入信號(hào)和反饋信號(hào)，通過(guò)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(jí)達(dá)到匹配。調(diào)零電路的作用是通過(guò)疊加可調(diào)電壓，調(diào)整電路基準(zhǔn)電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行零偏補(bǔ)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(hào)轉(zhuǎn)換放大為功率較大的電流信號(hào)，以便提供足夠的伺服閥額定電流，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。由于要求有良好的抗干擾能力和靜、動(dòng)態(tài)性能，該電路利用NPN和PNP型三極管的基極和發(fā)射級(jí)相互連接在一起，信號(hào)從基極輸入，發(fā)射極輸出。該電路可看成由2個(gè)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(hào)正負(fù)半周期內(nèi)工作[5]。此外，本電路還增加了限幅電路，防止過(guò)沖。伺服驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 伺服驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)該控制器與上位機(jī)的通信和調(diào)試。顯示模塊主要是用來(lái)顯示初始信號(hào)的頻率設(shè)定值和工作過(guò)程中被測(cè)儀器的速度值?？紤]到設(shè)計(jì)的方便和簡(jiǎn)潔，本設(shè)計(jì)選用了串行輸入、串行輸出、共陰極新型LED顯示驅(qū)動(dòng)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(dòng)8 bit 7段數(shù)碼管。按鍵模塊采用的是中斷實(shí)現(xiàn)的方式，避免占用過(guò)多的CPU資源。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件的主要作用就是在系統(tǒng)上電后運(yùn)行主控制程序，實(shí)現(xiàn)所要完成的控制動(dòng)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(gè)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(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的三角波函數(shù)；T1中斷程序主要用來(lái)設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換子程序及計(jì)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(jī)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(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)安全可靠。

[1]陳仁偉，朱長(zhǎng)青，王軍陣，等.基于 CH372的 USB虛擬交流電壓表的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)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(jī)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(jì)及特性仿真[J].機(jī)床與液壓，2006（2）：113-115.

[5]陳新元，盧云丹.伺服放大器的設(shè)計(jì)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(jī)原理與C51程序設(shè)計(jì)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(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.