基于AVR单片机的气动位置控制系统的研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 0 Vo l | 3 8 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 2 9 基于 A V R单片机的气动位置控制系统的研究 向 东 ，杨庆俊 ，张旭明 ，张晶 ，包钢 1 ．哈 尔滨_v - ,_ l k 大学机 电学院，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 8 0 ； 2 ．哈 尔滨风华科技有限公司，黑龙江哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要设计基于 A V R单片机的气动位置控制系统。该系统通过电磁阀来控制气缸，节约了控制系统成本；控制器由基 于 A V R单片机的电路组成，体积小，操作简单 ，采用二维模糊控制的控制策略。实验结果证明该系统控制精度高、稳定 性好，在气动位置控制领域有较好的推广应用价值。 关键词A V R单片机；气动位置控制系统；电磁阀 中图分类号T P 2 7 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3 0 9 4 3 Re s e a r c h o n Pn e uma t i c Po s i t i o n Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n AVR M CU X I A N G D o n g ，Y A N G Q i n g j u n ，Z H A N G X u m i n g ，Z H A N G J i n g ，B A O G a n g 1 ． C o l l e g e o f M e c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ，H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，H a r b i n H e i l o n g j i a n g 1 5 0 0 8 0 ，C h i n a ； 2 ． H a r b i n F e n g h u a T e c h n o l o g y L t d ，H a r b i n He i l o n g j i a n g 1 5 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p n e u ma t i c p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e A VR MC U w a s d e s i g n e d， i n wh i c h t h e e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e wa s u s e d a s t h e c o n t r o l u n i t t o d r i v e t h e p n e u ma t i c c y l i n d e r ， S O t h a t t h e c o s t o f t h e s y s t e m w a s r e d u c e d ． Th e c o n t r o l l e r w a s c o mp o s e d b y t h e c i r c u i t s b a s e d o n t h e AVR MC U， w h i c h h a d t h e s ma l l s i z e a n d e a s y o p e r a t i o n ． T h e c o n t r o l s c h e me wa s 2 D f u z z y c o n t r o 1 ． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t p r o v e s t h a t t h i s s y s t e m h as h i g h p r e c i s i o n，s t a b i l i t y a n d a p p l i c a t i o n v a l u e i n p n e u ma t i c fi e l d ． Ke ywo r dsAVR MCU； Pn e uma t i c p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m； El e c t r o ma g ne t i c v a l v e 气动系统 因其 污染小 、成本 低 、功率质 量 比大 、 环境适应能力强 ，气动技术和电子计算机技术的结合 进一步降低了成本 ，并使复杂控制策略的实现变得方 便。作为气动技术中的关键课题 ，气动位置控制系统 也取得了很大的发展，已经在工业 自动化领域中得到 了广泛的应用 ⋯。 由于气体本 身 固有 的可 压缩 性 、气 体通 过 阀 口 流量的非线性和气缸存在摩擦力等原因 ，气动系统 本质上属于非线性系统，这就给气动位置控制带来 了困难。目前高精度气动位置控制系统一般采用以 下方式 脉冲控制 、比例控制。脉冲控制方式主要 使用控制 脉冲宽度 的脉宽调制 P WM使 阀 口开 闭 从 而达到控 制系统流 量 的 目的 ，这 种方 法控 制精 度 高，稳定性好 ，但由于需要高速开关电磁阀，对 电 磁阀的性能要求 寿命 、响应频率 也相对较高。 尽管后来在此基础上发展了脉码调制 ，可以使用普 通电磁阀，但其在控制精度和调节范围上存在一定 的矛 盾 ，而且使用 多个不 同 的电磁 阀也 增加 了 系统 复杂程度。比例控制即使用伺服阀通过对输入输 出 连续 的比例 随动控制 气体 的压力 或者 流量 ，其控 制 精度高 ，寿命长，但成本昂贵 ，在工业 自动化中应 用 较少 。 为此 ，作者研制了基于 A V R单片机系统气动位 置控制系统，该系统使用普通电磁阀，采用了模糊控 制策略。实验证明此系统精度高，稳定性好 ，具有较 高的应用价值。 1 控制系统结构 控 制 系 统 结 构 如 图 I所 示 。系 统 由电 磁 阀、气缸、位 置传 感器以及控制器组成。 系统需要采集位置信 号 和指 令 信号 ，系 统 控制 算 法存 储 在 E C U 中，通过反馈信号来 控 制 电 磁 阀 的 开 合 ； 人机 交互 通过 L C D和 键 盘 实现 ；控 制器 可 _』 l 1 『广1 I键盘 l 液晶显示l 片外存储 电磁阀 }l O } l M C U 千 ◆ 千 I A D 转换 I『 I 串口 1 L下可可 I 位 置信 号 I指令 信号 I 旧号 调理 ． I I 位 置传 感器 I I 嗣上位 机 图 1 控制 系统结构图 实时地通过信号调理电路将使用 P WM方式输出的位 置信号转换为模拟信号提供给上位机；同时上下位机 可通过 R S 2 3 2通 讯接 口交 换控 制参 数 、系统 状态 以 及控制指令 。 收稿 13 期 2 0 1 0 0 4 2 3 作者简介向东 1 9 8 1 ～ ，男 ，博士研究生 ，主要研究方向为气体传动控制和航天器地面仿真。电话1 5 1 2 4 5 5 3 8 7 8 ， Ema i l x i a n g d o n g1 981 g ma i l ．c o n 。 第 1 3期 向东 等基于 A V R单片机的气动位置控制系统的研究 9 5 2 系统方案 2 ． 1 电磁 阀和气缸的选择 在气动系统中，需要计算通过节流 口的气体流 量 ，先做如下假设 1 气体为理想气 体 ； 2 气体黏度小 ，忽略控制截面处黏性阻力影 响； 3 不考虑引力场对气流的作用； 4 计算中采用质量流量； 5 各腔 中气体 是均 匀 的 ，每一 瞬 时其 中各 点 的参数相 同。 对于 阀内气体的流动 ，可 以近似认为是绝热变化 过程 ，其节流方程 为 q m 1 Cd S 。 0． 5 2 8 ≤ 1 0Pl o ．5 2 8 p0 p0 式中 |s 为节流 口面积 ； c 为流量系数； P 为人 口压力 ； P ． 为 出口压力 ； 为入 口处气体温度 ； C 。 为临界 压力 比。 因此可根据式 1 ，通过系统 的供气压力、负 载压力以及气缸的参数来计算选择阀的规格。 2 ． 2 控 制 器 的设 计 系统以 A V R系列单 片机 A T ME G A 6 4为核心创建 了A D采样 电路、P WM 输出电路、扩展存储 电路、 键盘输入电路、L C D显示 电路 、I O输入输 出电路以 及 R s 2 3 2通信电路 。 A T M E G A 6 4具有 丰富 的 I ／ O资源，6 4 k程序空 间和4 k片内数据空间。时钟可达 1 6 M H z ，由于采用 流水线结构 ，可 以每个时钟周期执行一条指令 。这在 保证执行速率的同时，可以有效降低晶振频率，减少 干扰 ] 。A T ME G 6 4本 身 已有 R C振 荡 电路 可 以产 生 振荡频率 ，考虑到使用场合和要求 ，系统采用了 1 6 M 晶振芯片作为时钟信号。 2 ． 2 ． 1 A D采样 电路 系统采用 T L C 2 5 4 3作为 A ／ D转换电路芯片，能 对 1 1 个通道进行 A ／ D数据转换 ，采用 串行 的方式进 行数据输出，这样减少了对系统资源的需求。在基准 电压电路上 使用 了 L M3 3 6 - 2 ． 5 ，这是精 密的 2 ． 5 V并 联稳压二极管 ，动态 阻抗 为 0 ． 2 Q，能方便 地从 5 V 逻辑电源得 到稳定 的基 准。图 2为 A D采样 电路 。 VC 胆 电容 F 图 2 A D采样电路 2 ． 2 ． 2 P WM输 出电路 考虑到控制器对上位机输出需要具有一定的实时 性 ，因此 外 输 出 电 路 采 用 高 精 度 电 流 输 出。A T ME G A 6 4本身具有 3个 P WM输 出端 口，因此设 计 了 P WM 输出外围 电路 ，通过调 节方 波输 出的 占空 比来 改变输 出电流大小。图 3为 P WM输 出的转换 电路 。 S OUT 一 Q O U T SO UT-V8 ／ 面 2 l k n i 4 A ，M 31 一 ] 图 3 P WM输 出转换 电路 电路中使用 6 N 1 3 6来消除 P B 5输出的部分非线 性 ，使用多路开关 4 0 5 2来切换 响应输 出。L M 3 8 5 B 1 2 存在压降 1 ． 2 V，从而 4 0 5 2的 1 4 、1 5管脚电压也将 随着 P WM的输入呈方波波形的改变，当这个电压经 过 c 的时候 ，由于电容的滤波效应，N 4的 3端将会 出现一个 与 P WM输入相 匹配 的电压 。 对 N 4来说 ，有 以下公式成立 3 一 ／ Z 2 A “ 1 2 式 中A 为开环放 大倍数 。由于 N 4的反馈调节功 能 可调节 V 8的输入 电流 和输 出电流之差 。对 电路整 体 而言 ，电流输出公式可写为 ／ o ut 3 j 式 中／／ , 为 4 0 5 2芯片 1 1 管脚 的电压 。 2 ． 2 ． 3 R S 2 3 2通信 电路 控制器的参数需要通过上位机来设定，其实时性 要求不是很高，同时由于其数据较为繁多，因此设计 9 6 机床与液压 第 3 8卷 了串口通信电路来完成两者的数据交换。控制器选用 德州仪器生产的 M A X 2 3 2 作为串口通讯芯片，其使用 广泛 ，技术成熟 ，性 能 稳 定。该器 件 包含 2个驱 动 器 、2 个接收器和 1 个 电压发生器 电路提供 T I A ／ E I A 一 2 3 2 ． F电平。该器件符合 T I A ／ E I A - 2 3 2 一 F标准 ，每一 个接收器将 T I A ／ E I A - 2 3 2 - F电平转换成5 V T T L ／ C MO S 电平。每一个 发送 器将 T I I _ ／ C M O S电平转 换成 T I A ／ E I A 一 2 3 2 一 F电平 。图 4为 串口通信电路。 M AX 2 32 1 3 2 8 R2I N R2 0UT ]3 p c o ut 5 ． r r Rl I N R1 oUT 』 。 一 T 2 o U T T 2 I N T l O U T T l I N G N D C 2 - VCC C2 0． 枉莘J l 厂 V S． C l- V s C 1 uF uF 图4 R S 2 3 2通信电路 2 ． 2 ． 4软件设计 通过对控制系统的分析 ，在开发过程中将整个程 序划分为系统初始化部分、设备驱动程序部分 、中断 服务程序部分以及循环扫描程序部分几个模块。 系 统硬 件初 始 化 端 口， 中断 等 参数初 始 化 计 数 器等 塞 堡 堡 l I 霾 普 传 感器 信 号 采 集及 存储 信 号处理 滤 波 根据 算法 确 定 磁 阀输 出状态 盘扫 描扫 描 盘输入 矩 阵 定按键 输 入 一 器 发送数据 f 图5 程序流程图 系统初始化部分需要对系统硬件如中断控制器、 端口方向和初始值 、系统时钟以及堆栈等进行设置 ； 设备驱动程序则是针对硬件底层资源开发，使得用户 可 以方便地直接使用底层硬件来 进行操作 ；中断服务 程序是通过定 时中断 的方式来触 发中断事件 ，实现需 要精确控制的系统功能，如反馈控制，当中断触发 时，程序优先执行中断服务程序，完毕后再返回原来 环境 中；循环扫描程序完成一些 不需要精确时 间控制 以及优先级较低 的功能 ，如系统显示 和通讯 。图 5为 下位机软件流程 图。 3 控制策略 由于对气动位置控制系统建立一个非常精确的数 学模型较为困难 ，需要很多的观测量 ，这不利于工业 化现场的应用，因此该系统采用了二维模糊控制的思 想 。 实际上整个 系统 中只有两个 电磁 阀为控制输 出 ， 其开关状态相反 ，因此只需要一个数字量 即可表示输 出状态，故建立一个模糊控制状态表 ，通过输入的状 态直接查询输出状态 即可 。 表 1 模糊控制状态表 E E P 8 P M P s o Ns N M NB 4实验研 究 根据以上的系统方案和控制策略 ，研制 了气动位 置控制系统样机。图6为控制系统实物照片。 a 控制 器 b 气 动 部分 图6 气动位置控制系统 使用图 6所示 的控 制 系统进行 了实验研 究 。图 7为 定 位器 的控 制 结 果。 0 ． 可以看到从 t 0 S 开始， 一 u ． 系统很 快达 到 指令 位 置 ， 同时将 t 5 0～6 0 S中间 的外加干扰很快消除。 5结论 图 7 实验 结果 设计了基于 A V R单片机的气动位置控制系统。 该系统通过 电磁 阀来控制 气缸 ；控 制器 由基 于 A V R 单片机的电路 组成 ；采 用 了二维模 糊 控制 的控 制策 略。实验结果证明该系统控制精度高、稳定性好， 在气 动位置控制领域有较好 的推广应用价值 。 下转第 1 3 6页 O O 1 1 1 1 1 l O O l 1 l 1 1 1 o 。。。。 一 一 一 0 0 1 1 1 i 1 1 一 一 一 一 一 O 0 l }}1 o 1}{ 。 船 肼{￡加 M z入 1 3 6 机床与液压 第 3 8卷 5 4 85 e 005 e． 4O7 e OeS 2 B 丑8 e 005 1 弛 9 e 005 2 299 e 00 4 2 30 8e 00 5 2． e O0 ㈤ f m 5 ． 1 1 a 压 力云 图 b 速度 矢 量图 图 9 0 ． 2 m ． ／ s 截 面 2的压力云图和速度矢 量图 a 速度 矢 量 图 b 流线 圈 阀的流道设计，阀芯、阀套的结构改进和优化设计提 供了可靠 的理论依据 。 参考文献 【 1 】杨国桢． 机车车辆液压减振器[ M] ． 北京 中国铁道出版 社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】 郑淑娟， 权龙． 插装阀液压锥阀内部流场的三维动态仿 真分析[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 7， 2 6 4 3 0 3 1 ． 【 3 】盛敬超． 液压流体力学 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 98 0． 【 4 】丁问司， 许巨忠． 列车横向可调阻尼液压减振器试验研 究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 7 8 8 9 9 1 ． 图 I 1 0 ． 2 m ／ s 调压阀的速度矢量 图和流线图 在减振器振动速度相对较小时 ，到达 阀顶 的油液 较少，对顶部的撞击较小。油液在阀内直径由大到小 过渡处将再次改变流向，油液变 向后在附近区域形成涡 流 ，油液之问在腔 内互相撞击。随着速度的增大，变向 的油液将对阀顶的撞击增强，同时在阀顶形成涡流。 1 阀上 8个小孔的工作情况和振动速度有关， 振动速度较小 时 ，油 液将 流入远 离 阀 出 口的 5个 小 孔 ，同时从 出 口与 附近的 3 个小孔流 出，当速度增 大 到一定程度 ，8 个小孑 L 都成为流量出 口。 2 在阀的出口两侧以及出口下方将形成涡流。 阀内的流场分布具有对称性，体现在压力大小、涡流 分布、速度分布等方面。 5结论 通过 A N S Y S C F X流体分 析软件仿 真平 台 ，同时 利用其动网格技术，得出了在油压减振器在不同振动 速度下，调压的动态流场分布特征。为减振器的各个 阻尼阀的设计提供了一种新方法，为减振器各个阻尼 上接第 1 4 2页 调节 器系统特性分析时 ，有必要对水击次频 的影响进 行分析。 3 增大管径 系统压力不变 、提高系统工作 压力和减小油液黏度，将加重水击的程度 ，并使得水 击压 力衰减变缓 。在管材选择时 ，应考虑 以上参数对 水击 的影响 ，以便合理选择管材。 参考文献 【 1 】雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 1 9 9 8 ， 5 0 5 0 2 4 9 1 2 4 9 6 ． 【 2 】陈彬， 易孟林． 伺服调节器系统的理论分析[ J ] ． 机械与 电子 ， 2 0 0 7 5 1 41 7 ． 【 3 】 严军， 林锐， 李小军． 基于 A M E S i m的长管路液压系统仿 真研究[ J ] ． 机械与电子， 2 0 0 8 ， 3 6 4 5 0 5 3 ． 【 4 】 陈彬． 舵机电液伺服调节器耦合振动特性及其控制研究 [ D] ． 武汉 华中科技大学， 2 0 0 7 ． 2 2 1 2 2 ． 【 5 】L i a o J i n j u n ， L i B a o r e n ． D y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s f o r s t e e r i n g c y l i n d e r a n d p i p e l i n e[ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e S e v e n t h I n t e r n a t i o n a l C o f e r e n c e O ll F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， 2 0 0 9 ． 3 2 1 02 1 3． 【 6 】 蔡亦钢． 流体传输管道动力学[ M ] ． 杭州 浙江大学出版 社 ， 1 9 9 0 ， 4 1 2 1 1 3 3 ． 【 7 】L S h u q i n g ． Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d a n aly s i s o f d y n a m i c p e r f o r m a n c e[ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f F i r s t I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o f Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n， V o l I - Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n i n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 0 8 1 7 l一1 7 4． 上接 第9 6页 参考文献 【 1 】王祖温， 杨庆俊． 气压位置控制系统研究现状及展望 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 1 2 1 0 1 6 ． 【 2 】李建藩． 气压传动系统动力学[ M] ． 广州 华南理工大学 出版社 ， 1 9 9 1 ． 【 3 】马潮． 高档 8位单片机 a t m e g a 1 2 8原理与开发应用指南 [ M] ． 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 4 ． 1 2 ． 【 4 】高翔， 李光华， 何国辉． 气动伺服控制系统的自 适应模糊控 制器的研究[ J ] ． 海军工程大学学报， 2 O O 2 ， 1 4 3 1 4 2 0 ． m ” ∞ 神 ” 弛 ” 惦 聃 ∞ ㈣