數(shù)字式2D比例換向閥控制器的研究*

徐龍穩(wěn)，申屠勝男，俞浙青，李 勝，阮 健

（浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014）

0 引言

電液比例閥作為電-液-機(jī)械轉(zhuǎn)化的核心部件，具有推力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)油質(zhì)要求不高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工程機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著電液比例技術(shù)的發(fā)展，電液比例閥在很多方面已經(jīng)接近電液伺服閥，例如穩(wěn)態(tài)滯環(huán)可達(dá)到 1%～3%，重復(fù)精度0.5～1，電液比例技術(shù)比電液伺服技術(shù)具有更廣的發(fā)展前景。在電液比例控制系統(tǒng)中，電液比例控制器作為電液比例控制系統(tǒng)的“大腦”,具有調(diào)度控制、功率驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理等功能,其性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的控制性能[2]，因此，對(duì)其展開研究具有重要意義。然而市場(chǎng)上比例控制器多為模擬電路，功耗大，控制算法難以應(yīng)用在其上面，參數(shù)調(diào)整困難。隨著微電子、計(jì)算機(jī)和液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，數(shù)字化控制已被廣泛應(yīng)用到比例控制系統(tǒng)中。國(guó)外對(duì)電液比例控制器的研究較早,技術(shù)水平較高,各知名液壓企業(yè)(如 Boseh一 Rexroth、Eaton、EPEC 等公司)均有性能好、可靠性高的產(chǎn)品面市；但我國(guó)比例技術(shù)起步較晚，相應(yīng)產(chǎn)品較少，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，控制性能和可靠性仍然存在較大差距。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，數(shù)字化控制器產(chǎn)品較少，且多為通用型，參數(shù)不易調(diào)整，針對(duì)不同比例閥，控制效果差異較大。

因此，本文針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的預(yù)拉預(yù)扭全橋式2D電液比例換向閥設(shè)計(jì)一款基于DSP芯片的數(shù)字式2D比例控制器，以提高2D比例換向閥的性能。

1 比例控制器的軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2D電液比例換向閥控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，該控制系統(tǒng)主要由電源電路、模擬量信號(hào)輸入電路、微控制器、光耦隔離電路、全橋驅(qū)動(dòng)電路以及電流采樣電路組成。微控制器采用DSP2812系列芯片，該芯片系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)150 MHz，可以保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。輸入信號(hào)可由信號(hào)發(fā)生器提供電壓信號(hào)輸入至ADC引腳，經(jīng)ADC采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)與電流采樣信號(hào)作差，經(jīng)PID調(diào)節(jié)輸出高頻PWM波，利用反接卸荷式全橋電路轉(zhuǎn)化為線圈電流，驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)。除主要電路外，本文設(shè)計(jì)了JTAG接口、按鍵以及顯示模塊，以方便系統(tǒng)在運(yùn)行過程中參數(shù)調(diào)節(jié)。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)電路是比例放大器的核心單元，直接影響比例控制放大器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能及工作可靠性[3-5]。開關(guān)式功率驅(qū)動(dòng)具有功耗低、效率高、頻響高、便于集成等優(yōu)點(diǎn),目前絕大部分的比例控制器均采用開關(guān)式功率驅(qū)動(dòng)。開關(guān)式按電路結(jié)構(gòu)可分為半橋式和全橋式，如圖2、圖3所示。

圖2 半橋驅(qū)動(dòng)電路

圖3 全橋驅(qū)動(dòng)電路

半橋式驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元器件較少。全橋式驅(qū)動(dòng)電路雖然結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，但能很好地保證波形，提高控制器的動(dòng)態(tài)性能。

圖4 半橋和全橋驅(qū)動(dòng)電路上升沿線圈電流曲線

圖5 半橋和全橋驅(qū)動(dòng)電路下降沿線圈電流曲線

圖4、圖5分別為半橋和全橋驅(qū)動(dòng)電路上升沿和下降沿線圈電流變化(工作線圈為GP45-4-A比例電磁鐵)，從圖中可以看出全橋式驅(qū)動(dòng)電路電流響應(yīng)速度比半橋驅(qū)動(dòng)電路要快，對(duì)于保證波形、減小滯環(huán)具有很好效果。比例閥一般工作頻率為 5～30 Hz，要求滯環(huán) 3%左右，因此本文采用全橋式功率驅(qū)動(dòng)電路。

1.3 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制程序是整個(gè)控制器的“靈魂”，其主要功能是數(shù)據(jù)采集和處理以及中斷響應(yīng)，保證控制器正常工作。整個(gè)軟件分為系統(tǒng)初始化模塊、ADC采樣及處理模塊、控制算法模塊、顫振模塊以及按鍵與顯示模塊。圖6為軟件控制系統(tǒng)框圖。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

1.3.1 控制算法

控制算法作為整個(gè)軟件的核心部分，控制整個(gè)系統(tǒng)按特定規(guī)律運(yùn)行。在現(xiàn)有的控制算法中，PID算法是一種比較經(jīng)典的控制算法，經(jīng)過幾十年仍然被廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)。

比例電磁鐵線圈自身以及銜鐵工作氣隙等因素，影響線圈電流的線性度，PID不能夠完全消除這種影響，針對(duì)這一現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一種線性回歸校正算法，如下式：

式中：P1、P2分別為PWM占空比的調(diào)整值、當(dāng)前PWM占空比；K1、K2、K3分別為調(diào)整增益比、理想占空比與電流增益比，實(shí)際占空比與電流增益比；B為回歸線截距值；I為當(dāng)前電流值。

試驗(yàn)表明，經(jīng)線性回歸算法校正，可以極大地提高線性度，如圖7所示。

圖7 校正前后曲線對(duì)比

由于PID算法運(yùn)算量較大，增大CPU的負(fù)擔(dān)，影響程序的實(shí)時(shí)性，本文采用TI公司提供的IQmath函數(shù)庫(kù)，將浮點(diǎn)型運(yùn)算轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)運(yùn)算，提高CPU的運(yùn)算速度。

1.3.2 ADC采樣

模擬信號(hào)輸入和電流閉環(huán)都需要用到ADC采樣，DSP2812提供了16個(gè)采樣通道，為提高采樣精度，本文采用多通道測(cè)同一組數(shù)據(jù)，求取平均值，然后平滑濾波。為保證PID算法不受顫振影響，采用EV事件中斷觸發(fā)ADC采樣并執(zhí)行ADC中斷程序，在輸入到PID之前，減去顫振信號(hào)，保證控制信號(hào)的穩(wěn)定性。

1.3.3 顫振

2D比例換向閥在改變閥開口時(shí)需要進(jìn)行軸向直動(dòng)和繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生較大摩擦力，影響閥的靜動(dòng)態(tài)特性。本文針對(duì)這一問題，使用軟件方式在輸出信號(hào)上疊加一顫振信號(hào)，使閥芯始終處于滑動(dòng)摩擦，減小摩擦因素的影響。顫振信號(hào)發(fā)生函數(shù)置于EV周期中斷函數(shù)中，即每產(chǎn)生一次EV事件中斷，顫振信號(hào)就會(huì)疊加在輸出信號(hào)上，保證了顫振信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)。計(jì)算公式如式(2)所示，試驗(yàn)效果如圖8所示。

式中：P3為疊加顫振值；A為顫振幅值；f1為顫振頻率；N為計(jì)數(shù)值；f2為中斷函數(shù)頻率。

圖8 顫振圖像

1.3.4 按鍵與顯示

按鍵與顯示模塊可方便對(duì)程序中相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)，本文主要改變參數(shù)有顫振頻率、顫振幅值、初始電流（兩路）、PID 參數(shù)(Kp、Ki、Kd)。 該模塊采用外部中斷方式，節(jié)省CPU開銷。

2 2D比例換向閥結(jié)構(gòu)及工作原理

本實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的2D電液比例換向閥是一種集直動(dòng)式和導(dǎo)控式于一體的大流量比例閥。該比例閥主要由比例電磁鐵、壓-扭聯(lián)軸器和2D換向閥三者共軸連接而成。比例電磁鐵通電后作用于壓扭聯(lián)軸器，通過聯(lián)軸器把比例電磁鐵直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為閥芯的軸向直動(dòng)和繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，閥芯在旋轉(zhuǎn)過程中引起感應(yīng)通道處的高低壓孔錯(cuò)位，進(jìn)而導(dǎo)致敏感腔壓力發(fā)生變化，推動(dòng)閥芯軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推力放大。軸向運(yùn)動(dòng)又會(huì)引起繞軸方向旋轉(zhuǎn)，高低壓孔回復(fù)到初始位置，從而達(dá)到新的平衡，保證閥芯位置的穩(wěn)定性。詳細(xì)結(jié)構(gòu)與工作原理請(qǐng)見參考文獻(xiàn)[6]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

2D電液比例換向閥的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖9所示，測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)控制系統(tǒng)、液壓測(cè)試系統(tǒng)及信息采集系統(tǒng)組成。在上壓時(shí)，閥芯位移可以通過閥芯導(dǎo)桿導(dǎo)出，利用激光位移傳感器把閥芯位移信號(hào)輸入記憶示波器。

圖9 2D電液比例換向閥測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

本文通過實(shí)驗(yàn)分別使用通用型比例控制器與數(shù)字式2D比例換向閥控制器進(jìn)行2D比例換向閥性能測(cè)試，使用通用型比例控制器測(cè)得2D比例換向閥的靜態(tài)滯環(huán)為10%[6]，相位滯后90°，幅值衰減-3 dB情況下，頻寬僅為8 Hz。而使用數(shù)字式2D比例換向閥控制器測(cè)得2D比例換向閥的靜態(tài)滯環(huán)僅為2.92%，如圖10所示，相位滯后90°，幅值衰減-3 dB情況下，頻寬可達(dá) 18 Hz，頻率特性曲線如圖11所示。結(jié)果表明該控制器基本能滿足2D比例換向閥的需要。

4 通用性

該控制器不僅對(duì)2D比例換向閥具有較好的控制效果，對(duì)其他比例電-機(jī)-械轉(zhuǎn)換器也有較好的控制效果。例如力矩馬達(dá)，雙向比例電磁鐵。圖12為力矩馬達(dá)階躍圖像，電流響應(yīng)僅0.5 ms，并且超調(diào)后迅速穩(wěn)定。該控制器使用反接卸荷式全橋電路作為功率驅(qū)動(dòng)電路，可以實(shí)現(xiàn)電流的雙向比例控制，控制效果良好。圖13為雙向比例電磁鐵比例控制圖像。

圖10 2D比例換向閥靜態(tài)滯環(huán)曲線

圖11 頻率特性曲線

圖12 力矩馬達(dá)線圈電流階躍曲線

圖13 雙向比例電磁鐵比例控制圖像

5 結(jié)論

(1)試驗(yàn)表明，數(shù)字式2D比例換向閥控制器對(duì)2D比例換向閥具有較好的控制效果，通過控制算法及顫振調(diào)節(jié)，2D比例換向閥性能得到很大改善。

(2)該控制器設(shè)計(jì)的按鍵和顯示模塊，可以方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，例如顫振頻率和顫振幅值可獨(dú)立調(diào)節(jié)以及PID參數(shù)調(diào)整，增強(qiáng)了該控制器的適應(yīng)能力。

(3)該控制器對(duì)其他比例電-機(jī)-械轉(zhuǎn)換器同樣具有良好的控制效果，具有一定的通用性。

(4)該控制器沒有PID自適應(yīng)能力，需要現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)設(shè)定PID參數(shù)，以后可以修改程序，增設(shè)自適應(yīng)模塊。

[1]羅安，韓波.PWM電液比例放大器的研制[J].機(jī)床與液壓，1996(3)：13-16.

[2]聶勇.新型可編程電液比例控制器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3]羅安.智能數(shù)字電液比例控制裝置和控制策略的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，1993.

[4]方育鋒，何啟明.新型比例放大器的研究[J].礦山機(jī)械，1997(9)：39-44.

[5]蔡健琦，韓波.直接數(shù)字控制的比例放大控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1998，17(4)：596-597，605.

[6]勵(lì)偉，阮健，任燕，等.三位四通 2D電液比例換向閥的靜態(tài)特性試驗(yàn)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2013，(12)：124-127.