一种超低频伺服控制器的设计

王 直 ，王刘柱 ，丁建军 ，施晓敏

（1.江苏科技大学 电信学院，江苏 镇江 212003；2.中船重工第七零四研究所，上海 200031）

电液伺服阀控制技术作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要组成部分。由于它具有线性好、死区小、灵敏度高、动态性能好、响应快和精度高等显著优点，因而得到了广泛的应用。

本文设计了一种超低频伺服控制器，它以微处理器产生控制信号，控制伺服阀运动，以位移传感器实时检测伺服阀的位置，实现实时跟踪和精确定位，能够很好地控制伺服阀运动。伺服控制的设计主要是伺服控制器以及相应的控制算法的研究。本文实现了微处理器技术和液压伺服控制技术的完美结合，设计并实现了以微处理器为核心的高实时性、高稳定性、高跟踪精度的伺服控制器。

1 超低频伺服控制器

近年来电液伺服控制技术的发展非常迅速，覆盖从民用机械到精确打击武器等关键国民经济领域。作为辅助设备——伺服控制器的应用场合也越来越多。电液伺服运动控制主要是以液压缸、液压马达为执行单元，以比例阀或伺服阀配放大器为功率放大单元，以位置、速度或压力传感器组成信号反馈单元，配以必要的控制单元组成闭环运动控制系统。超低频伺服控制器的系统框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 信号发生器模块

图1 超低频伺服控制器系统框图

信号发生器模块采用美国ADI公司生产的12 bit高精度D/A转换芯片DAC8420。该DAC具有高速串行接口，功耗低且电源选择广泛（单+5 V～±15 V均可），并可选择单极或双极模式，能广泛应用于伺服系统控制和过程自动化控制ATE中[2]。该芯片在处理器芯片的控制下，产生控制伺服阀位移的三角波指令信号，三角波的幅值范围为-5 V～+5 V，频率范围为 0.010 Hz～0.099 Hz。考虑到信号发生器输出的三角波的幅值是双极性的，因此D/A转换芯片的基准电压也为双电源供电。为了使信号的正负极性能够精确对称，本设计选用了能够产生精确对称的正负电压芯片AD588。AD588是由ADI公司生产的先进的单芯片基准电压源，具有低初始误差和低温度漂移特性，能够保持基准电压源的精度，适合用作要求12 bit绝对精度的精密测量应用的系统基准电压源。图2为信号发生器模块电路图。

图2 信号发生器模块电路

信号发生器的功能主要是产生控制伺服阀线圈运动的初始信号。该初始信号主要是由主控制芯片STC11F08XE的P2口通过编程控制D/A转换芯片产生的频率范围为 0.010 Hz～0.099 Hz、幅值范围为-5 V～+5 V的三角波信号。单片机控制DAC工作的过程如下：单片机向DAC写数据时，先将片选信号D/A_CS（CS端）置0，并将D/A_LD信号（异步 DAC寄存器载入控制）置1，然后由D/A_SDI（串行数据输入）引脚将符合DAC8420格式的数据分为2 B输入串／并转换寄存器。D/A_SDI输入的16 bit数据中，前2 bit A1、A2用于选择寄存器A～D，后12 bit D11～D0是具体数值。解码器根据前 2 bit数据判断数据将移入的寄存器。当数据输入完毕后，再将D/A_LD置0，并在D/A_LD的下降沿将数据移入寄存器 A～D，最后将 D/A_LD置 1、D/A_CS置 1，以完成一次转换。DAC8420的数据载入时序图如图3所示。CLR为异步清除信号，低电平有效，它将内部寄存器A～D置0（CLSEL为低时），或者置为中间值（CLSEL为高时），但数据在转换寄存器时不受该控制信号的影响[2]。

图3 DAC8420数据载入时序图

2.2 反馈信号调理模块

反馈信号调理模块是为了将传感器输出的信号和信号发生器产生的信号相匹配，所设计的模块如图4所示。该模块采用LM324四运放集成电路，该运放内部含有4组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，4组运放相互独立，并且每个运放都有相位补偿电路。同时，LM324可单电源或双电源供电，电压范围宽，静态功耗小。单电源供电时，电源电压范围为3 V～30 V；双电源供电时，电源电压范围为±1.5 V～15 V。

反馈信号由FBI点接入反馈调理电路，其中RP1用来对运放的零点漂移进行调节，使其在输入为零时，运放的输出也为零。RP2是用来调增益的，主要是由于基于不同传感器的输入信号有可能不相同，因此用一个可调电位器可以调节放大倍数，将信号调整到符合后级电路所要求的信号。齐纳二极管D1和D2组成限幅电路，主要是为了在电路中出现过冲或有较大的噪声干扰时保护后级电路。两组电容C1、C2和C3、C4主要是用于滤除电源的纹波和高频干扰。

图4 反馈调理模块电路

2.3 A/D转换模块

A/D转换模块采用B-B（Burr-Brown）公司生产的低功耗、+5 V单电源供电的12 bit串行模数转换芯片ADS7812。该A/D转换器内部包含一个带有采样/保持（S/H）电路、基于电容的逐次逼近型（SAR）A/D、内部时钟电路、内部基准产生电路和串行数据接口电路等[3]。同时，该芯片的采样速率在常温下最高可达40 kHz，即A/D转换时间小于20 μs，且适应不同的输入电压范围，最大功耗小于50 mW，省电模式时的功耗仅为50 μW。

A/D转换的实现主要是由处理器芯片控制ADS7812，使从位移传感器输入的信号经ADS7812转换成数字信号，再经单片机处理成速度信号后在数码管上显示。本设计是基于外部时钟的模拟数字转换电路，如图5所示。由图可知，引脚R1IN接VIN，R2IN接 BUF，R3IN接GND，此时，模拟输入范围为±10 V，输入阻抗为45.7 kΩ。当AD_CV由高电平转为低电平时，在AD_CV的下降沿ADS7812由采样状态转入保持状态，并启动A／D转换。同时，前一次 A／D转换的结果在AD_CK时钟的控制下从AD_DA端串行输出，且MSB位首先移出，数据格式为二进制补码。在转换期间，AD_BY保持低电平，且输入端AD_CV的状态被忽略。为了提高A/D转换电路的抗干扰能力，在A/D转换期间应保持AD_CV的状态不变，同时，电源引脚的滤波电容和参考电压的滤波电容都应该用滤波效果更好的钽电容。

图5 采用外部时钟的A/D转换电路模块

2.4 伺服阀驱动模块

伺服驱动模块主要是指伺服放大器，即驱动电液伺服阀的直流功率放大器，其前置级为前置放大电路，功率级为电流放大电路[4]。前置放大电路的作用是把输入的初始指令信号和传感器反馈输入信号进行比较和放大。该电路INS、FBO分别为输入信号和反馈信号，通过电位器RP4调节电路增益，使其适应功率放大电路的要求，使电路电压前后级达到匹配。调零电路的作用是通过叠加可调电压，调整电路基准电压。通过调节电位器进行零偏补偿，克服伺服放大器系统偏置。功率放大电路的作用是将小功率电压信号转换放大为功率较大的电流信号，以便提供足够的伺服阀额定电流，以驱动负载。由于要求有良好的抗干扰能力和静、动态性能，该电路利用NPN和PNP型三极管的基极和发射级相互连接在一起，信号从基极输入，发射极输出。该电路可看成由2个射极输出器组合而成，构成推挽功率放大电路，分别在输入信号正负半周期内工作[5]。此外，本电路还增加了限幅电路，防止过冲。伺服驱动电路结构如图6所示。

图6 伺服驱动电路模块

2.5 其他模块

其他模块主要包括串口通信模块、显示模块和按键模块。串口通信模块主要是RS232串口通信，实现该控制器与上位机的通信和调试。显示模块主要是用来显示初始信号的频率设定值和工作过程中被测仪器的速度值。考虑到设计的方便和简洁，本设计选用了串行输入、串行输出、共阴极新型LED显示驱动器MAX7219。该芯片占用CPU的I/O口线少，且亮度可控，一片芯片就可以驱动8 bit 7段数码管。按键模块采用的是中断实现的方式，避免占用过多的CPU资源。

3 软件流程设计

软件的主要作用就是在系统上电后运行主控制程序，实现所要完成的控制动作。程序主要完成的是软硬件初始化、通信端口的初始化以及各个系统参数的初始值设定。初始化完成后，系统逐步执行控制算法完成预定的控制。系统软件部分主要由主程序和中断程序组成。系统软件主程序流程如图7所示。

图7 系统软件主程序流程图

中断程序由T0中断和T1中断构成。T0中断程序主要用来产生系统所需的三角波函数；T1中断程序主要用来设置A/D转换的时间间隔和启动A/D转换子程序及计算速度子程序。图8为中断程序框图。

图8 中断程序框图

本文给出了一种基于单片机技术和液压伺服控制技术的电液伺服控制的硬件结构和软件流程。实验证明，该设计紧凑灵活，控制算法完全由控制器完成，使用RS232串口通信方式传输实验数据安全可靠。

[1]陈仁伟，朱长青，王军阵，等.基于 CH372的 USB虚拟交流电压表的设计与实现[J].应用天地，2009，29（9）：69-72.

[2]吕秋霞.四路输出D／A转换器DAC 8420及其应用[J].国外电子元器件，2004（8）：62-63.

[3]卜广炎.串行A／D转换器ADS7812与单片机的接口技术[J].仪表技术，2001（3）：33-34.

[4]周恩涛，张栋，李井杰，等.伺服放大器的设计及特性仿真[J].机床与液压，2006（2）：113-115.

[5]陈新元，卢云丹.伺服放大器的设计及特性分析[J].仪表技术与传感器，2008（2）：63-64.

[6]张欣，孙宏昌，尹霞.单片机原理与C51程序设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7]张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.