基于DSP的電液伺服實驗臺控制系統的研究*

申一歌 李名莉 胡雪梅

（河南工業職業技術學院 南陽 473000）

1 引言

電液伺服控制系統因其在功率—重量比、負載剛度、控制精度、響應速度等參數方面具有明顯優勢，在工業自動化、國防、電力、新能源利用、工業機器人等領域中廣泛應用，對工業生產領域的進步和發展具有重要影響。針對電液伺服系統現階段的控制方案有很多，應用較普遍的是工控機控制及單片機控制，但都存在一些缺陷，單片機難以實現高精度控制，工控機則價格高昂且需配置接口卡，在工業應用中受到了限制［1～2］。數字信號處理器DSP相比在精度、速率、實時性、可靠性方面具有自己獨特的優勢，不需套用專門設計的大規模集成電路，能夠降低成本，同時兼容性好，針對不同的控制系統只需對軟件作相應修改或設計即可，還可隨著工作環境、負載狀況的變化改變算法和參數［3～4］。為了提高電液伺服控制系統動態響應特性，達到多方面的應用，在實驗室環境中利用電液伺服實驗臺進行大量實驗，模擬實際應用系統及開發環境，來驗證各種控制策略。

2 電液伺服控制系統

電液伺服控制系統主要由控制器、D/A轉換電路、電液伺服閥、液壓缸、傳感器、A/D采集電路六部分組成，結構圖如圖1所示［5］。

圖1 電液伺服系統結構框圖

電液伺服綜合實驗臺主要由兩套液壓源、液壓缸、電液伺服閥、傳感器等構成，可實現電液伺服系統的開環特性測試以及閉環特性測試［6］。液壓缸的作用是采集系統的缸速度、缸位移、缸壓力等信號，對系統進行速度、位移或力的電液伺服控制，每個液壓缸都具有獨立工作的性能，電液伺服綜合實驗臺原理圖如圖2所示［7～8］。

圖2 電液伺服實驗臺原理圖

實驗中用到了多種傳感器，有采集液壓缸位移的振動加速度傳感器，測量速度的霍爾傳感器和測兩腔壓力的壓力傳感器。傳感器采集到的信號需經過信號調理電路進行轉換，變成0～3V的電壓信號，再傳送到ADC采集通道，轉換結果與上位機發送的數值比對，得到的偏差量進行D/A轉換輸出，輸送到電液伺服閥中，實現電液伺服控制，硬件結構框圖如圖3所示。

圖3 電液伺服實驗臺控制系統硬件結構框圖

3 電液伺服實驗臺控制系統的設計

對電液伺服控制系統特性進行分析研究，首先要對系統的開環和閉環特性進行測試。對電液伺服實驗臺系統進行控制，除了硬件部分，還需軟件的控制。軟件部分含有主程序和兩個子程序，定時中斷服務子程序和通信接收中斷服務子程序。在外設初始化后，主程序對定時時間、中斷部分進行設置，子程序實現對系統的開環特性進行測試，并對閉環部分實行控制，主要包括A/D、D/A轉換、數據傳送、數值轉換及PID控制等環節［9～10］。

在開環控制中，實驗臺系統處于運行狀態，DSP定時中斷，A/D轉換之后的數據上傳到上位機監控系統，設定一個輸入參數作為DSP的D/A輸出，對電液伺服閥實行控制。

在閉環控制中，采集到的數據上傳到上位機監控系統，對各環節的信號實時監控，繪制出信號的曲線變化，保存數據，并對下位機的動作實行控制。在對CAN總線通信時，由于PC機不具相應的CAN信號通信器件，實驗中配備的是USB-CAN總線適配器，PC機才能通過USB接口連接CAN網絡，實現對數據的通訊、處理。對上位機界面編程使用的是VB語言［11～12］。

4 系統調試

4.1 模擬量數據采集模塊調試

為了驗證設計方法的可行性，在實驗室利用簡單易得的信號作為采集信號，電壓信號可由干電池提供，電流信號則利用實驗室中的鍋爐控制系統，采集系統的溫度信號模擬電流信號［13～15］。用萬用表對實際數據測量，再與控制器DSP的數值比對驗證采集電路的正確性。表1為電流信號檢測，表2為電壓信號檢測。

表1 電流信號檢測

表2 電壓信號檢測

通過表1、2可以看出，電流和電壓信號采集電路都是正確可行的。

模擬信號采集部分實物圖見圖4。

圖4 模擬信號采集部分實物圖

4.2 模擬量輸出模塊調試

電液伺服閥的控制信號范圍是-10V～10V，需對控制器DSP輸出信號進行D/A轉換，控制器DSP給定固定數值，在watch window觀測指定地址中的數值，然后與萬用表測量值比對，對輸出通道的正確性驗證，數據見表3。

表3 數模轉換信號檢測

經驗證，輸出信號模塊是可行的。

4.3 系統通訊功能調試

連接控制器DSP與上位機監控系統的硬件部分，并連接CAN模塊，運行監控界面，然后啟動CAN模塊。在CCS環境下，從上位機監控系統向控制器DSP發送測試數據，接收并觀察數據，接著從控制器向上位機監控系統發送數據。實驗中采用1.5V干電池的電壓作為采集信號，將控制器采集到的電壓信號傳送到上位機，在監控界面觀察接收數據的正確性。圖5是接收數據驗證和發送數據驗證。

圖5 接收數據和發送數據驗證

4.4 電液伺服實驗臺調試

4.4.1 電液伺服系統開環測試

開環測試試驗參數設置：差動液壓缸內徑63mm，桿直徑45mm，行程范圍0～400mm，油源壓力5.1MPa，采樣周期1ms，實驗中電液伺服閥給定值為1V的階躍信號。活塞位移和兩腔壓力的開環響應曲線見圖6，其中t為采樣時間，x為位移，P為缸兩腔壓力。

圖6

4.4.2 電液伺服系統閉環控制

接下來對閉環系統測試。試驗條件為油源壓力5.1MPa，采樣周期1ms，給定目標位移100mm，位移和缸兩腔壓力的響應曲線如圖7所示。

圖7

5 結語

針對于電液伺服實驗臺組成和實驗系統功能分析，對實驗臺系統硬件部分和軟件部分作了改進，以CAN總線為底層網絡，制定出通信協議，實現了控制器DSP與上位機的通信，采用VB語言對上位機監控界面編寫程序，對電液伺服實驗臺控制系統實現了實時監控，最后對實驗臺系統的各個功能模塊進行調試，并對系統的開環和閉環控制進行測試，驗證了電液伺服系統的可行性。