摘 要：提出了一種參數和功能均可編程的數字比例放大器，既可用于氣動比例減壓閥，也可作為數控橫流源用于力控型比例電磁鐵控制。硬件以Atmega16單片機為核心，結合PWM開關型功率驅動電路及傳感器信號調理電路，實現了比例電磁鐵線圈電流測量和氣動減壓閥壓力測量，軟件采用數字PID算法做閉環調節。該控制器其突出特點是PWM頻率、最大驅動電流及PID參數等均可通過RS485總線編程燒寫在單片機的EEPROM內。該放大器可滿足不同場合的控制要求。
關鍵詞：氣動技術；比例放大器；數字PID
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在液壓控制系統中，采用比例控制技術可極大地降低控制回路的復雜度，具有可靠性高、節能、成本低的優點,已經獲得廣泛的應用[1]。近年來，比例控制技術已逐步應用到氣動控制中[2]。其中比例放大器的數字化是比例控制元件的研究發展方向之一[3]。傳統的模擬式比例放大器電路結構復雜，控制參數需要通過改變阻容元件反復調整標定，生產過程復雜，不但功能單一，而且產品調整修改困難[4]。本文提出了一種以Atmega16單片機為核心的數字式比例放大器，通過數字PID算法實現閉環調節，即可用于力控型比例電磁鐵電流的精確調節，也可作為氣動比例減壓閥的控制器。其功能和相關控制參數均通過上位計算機由485總線下載燒寫到單片機的EEPROM內，使一種硬件可滿足不同控制需求場合，具有良好的多功能性、通用性和互換性[4]。
1 比例放大器硬件結構
1.1 整體方案
比例放大器的整體結構如圖1所示，以Atmega16單片機為核心，主要功能模塊包括電源、電磁鐵PWM驅動、線圈電流測量、氣體壓力傳感器測量、485總線接口等。核心控制器選用Atmel公司的8位AVR 單片機Atmega16。這種單片機運算速度快，可高達16? MIPS，內置16? KB Flash 程序存儲器，1 KB 片內SRAM，512 B的EEPROM可存儲設置參數，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、功能豐富而又價格低廉的單片機[6]。為了提高控制性能和精度，通過單片機SPI總線外接一片12 bit 100 KB AD芯片MCP3208用于傳感器信號采集。比例放大器輸入設定信號為0～5 V電壓或4mA～20mA電流，通過信號調理輸入ADC采樣，經過單片機數字PID算法調節PWM輸出信號的占空比，進而調節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入ADC，氣體壓力傳感器信號也通過信號放大濾波進入ADC。這樣該放大器可分別實現電流閉環和壓力閉環控制。具體功能的選擇和PID等參數的配置則通過485總線接口由上位機寫入單片機的EEPROM內。單片機復位時讀入EEPROM設置參數，執行相應功能。
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1.2 電磁鐵驅動和電流測量電路
比例電磁鐵驅動電路如圖2所示。線圈驅動由單片機PWM輸出經過Q1 實現開關電流調節。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用于反向續流，再接一個瞬變電壓抑制二極管SMBJ26用于整體電路過壓保護。線圈電流為低邊電流測量，Rs為1 W 0.22Ω電流采樣電阻，通過R1、R2、R3、R4和U1構成的差動放大器進行放大，R5、C4構成一階RC濾波器用于ADC前端的抗混疊濾波。
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1.3 壓力傳感器測量電路
在用于氣動減壓閥控制時，需要壓力反饋測量。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量精度，采用單電源儀表放大器AD623進行前端放大。RG為增益調整電阻。后面由R12、C10進行濾波去噪，再輸入ADC。壓力測量電路如圖3所示。
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2 控制器軟件設計
單片機控制軟件需要分別實現電流和壓力閉環調節，功能的切換和參數設置均通過485接口由上位PC機寫入單片機EEPROM內，在單片機上電時讀入這些設置參數，再執行相應功能。因此，單片機軟件的核心模塊包括485通信接口、主程序、電流閉環調節和壓力閉環調節模塊。通過上位PC機可編程設置的參數見表1。表中CtrlMode參數設置放大器的基本功能：放大器要實現電流閉環控制還是壓力閉環控制。PWM_FREQ參數設置PWM信號頻率，從500 Hz～30 kHz任意選擇，可適應不同種比例電磁鐵控制特性。MaxCurrent和MaxPress分別用于設置輸入控制信號最大時所對應的最大線圈電流和最高調定壓力。當然這些參數還取決于外部其他相關環境參數，如線圈阻抗和供氣壓力等。Kp,Ki和Kd則對應為PID調節的參數。Tramble表示顫震信號的幅度，根據需要可以編程設定。
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單片機控制程序分為主程序，線圈電流控制子程序、壓力閉環控制程序以及485通信接口程序。以電流閉環調節程序為例，選用常用的位置式離散PID規律。其控制算法為：
其中PID的系數由Ziegler-Nichols法確定[5]，再下載到單片機。
單片機主程序和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單片機設計的數字式比例放大器，通過電流測量和壓力測量相關調理電路，可用于比例電磁鐵恒流控制或氣動比例減壓閥壓力調定。系統設置參數均可通過485總線由上位機編程寫入單片機EEPROM內永久保存。該方案電路結構簡單，成本低，控制器功能可編程設定，比傳統模擬式比例放大器更具有廣泛的靈活性和適用性。該方案為氣動比例控制的比例放大器的數字化設計提供了一種有價值的參考。
參考文獻
[1] 吳根茂，丘敏秀，王慶豐，等.新編實用電液比例技術[M].杭州：浙江大學出版社，2006.
[2] 張元良，張旭.通用性比例閥數字放大器研究[J].儀表技術與傳感器，2007，44(2) ：36-38.
[3] SMC（中國）有限公司編.現代實用氣動技術[M].北京:機械工業出版社，2004.
[4] 袁坤，劉志和，羅安.電液比例方向節流閥數字控制放大器[J].機床與液壓，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.