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(kāi)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(guò)RS485總線編程燒寫(xiě)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(lái),，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(guò)改變阻容元件反復(fù)調(diào)整標(biāo)定,，生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)上位計(jì)算機(jī)由485總線下載燒寫(xiě)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(guò)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(guò)信號(hào)調(diào)理輸入ADC采樣,，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)485總線接口由上位機(jī)寫(xiě)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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1.3 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。R_G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(guò)485接口由上位PC機(jī)寫(xiě)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(guò)上位PC機(jī)可編程設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)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,。K_p,K_i和K_d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x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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參考文獻(xiàn)
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