直升機尾部減速器力加載用數(shù)字式液壓伺服控制器設(shè)計與實現(xiàn)

劉芝福

（中國航發(fā)中傳機械有限公司，長沙 410200）

基于液壓伺服的推拉力加載系統(tǒng)具有體積小、加載功率密度大、加載慣性小以及精度高等優(yōu)點[1-2]。在航空航天、國防以及工業(yè)等領(lǐng)域，常常采用液壓加載來模擬被試對象的負(fù)載[3]。便攜、多通道以及高精度的數(shù)字式液壓伺服控制器是加載系統(tǒng)的控制載體[4]。本文以直升機尾部減速器操縱軸加載為應(yīng)用對象，設(shè)計了多通道數(shù)字式液壓伺服加載控制器，詳細(xì)介紹了以stm32F407為中央處理器、CS5532為力傳感器采集芯片、DAC8563為伺服閥驅(qū)動芯片的軟硬件設(shè)計實現(xiàn)過程和變參數(shù)的PID控制在液壓伺服控制上的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

為模擬直升機尾部減速器操縱軸和操縱桿在飛行姿態(tài)下的受力載荷，設(shè)計如圖1所示的加載結(jié)構(gòu)。尾漿操縱軸軸向力通過油缸1和油缸2同步施加，徑向力通過操縱軸徑向油缸施加，操縱桿軸向力通過操縱桿軸向油缸施加。每一個油缸由1路液壓伺服通道控制，共計4路進行加載測試。其中，操縱軸軸向力為避免油缸1和油缸2不同步形成操縱軸彎矩，油缸1和油缸2通過伺服控制器同步施加軸向力。根據(jù)加載要求，每一路液壓伺服控制精度都需要達(dá)到±2%F.S。

圖1 加載結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)需要加載力的數(shù)量和加載方式，設(shè)計控制器硬件系統(tǒng)如圖2所示。硬件系統(tǒng)需滿足：4路惠斯通電阻橋式力值傳感器信號采集；4路液壓伺服閥驅(qū)動電路；上位機通信接口用于載荷譜下載和加載實測力值上傳；EEPROM用于控制參數(shù)存儲。

圖2 硬件系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計

2.1 中央處理器

stm32F407包括6個USART、3個I2C、2個CAN、1個SDIO以及3個SPI共15個通信接口。它多達(dá)17個定時器，頻率高達(dá)168 MHz。采用stm32F407作為中央處理，能滿足液壓伺服閉環(huán)控制算法的計算速度要求[5-7]。SDIO接口與伺服驅(qū)動電路接口進行數(shù)據(jù)交換；SPI接口與伺服推拉力力值采集電路接口進行數(shù)據(jù)交換；I2C用于EEPROM接口；UART用于上位機接口。

2.2 推拉力力值采集

推拉力采集的分辨率、精度以及動態(tài)特性是控制精度的關(guān)鍵。推拉力傳感器信號采集依賴其芯片性能。根據(jù)控制精度需求，選擇精度高、動態(tài)特性好的CS5532作為力值采集轉(zhuǎn)換芯片。該芯片可得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，其內(nèi)部的自校正系統(tǒng)可實現(xiàn)自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，可消除系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差，以及A/D本身的零點增益和漂移誤差。它還具有SPI高速數(shù)據(jù)通信總線和兩路信號采集能力，可以實現(xiàn)惠斯通電阻橋式力值傳感器信號采集。

該液壓伺服控制器的其中兩路采集電路如圖3所示。CS5532的14針為片選信號腳，11、12、13引腳分別與中央處理器stm32F407的SCK、SDO、SDI引腳相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖3 力值采集電路圖

2.3 伺服閥驅(qū)動電路

伺服閥驅(qū)動采用兩級信號處理，如圖4所示。第一級采用DAC8563實現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換。第二級采用AD8056運放，實現(xiàn)±10 V、20 mA驅(qū)動能力。

圖4 伺服閥驅(qū)動電路

每片DAC8563芯片可實現(xiàn)兩路DA轉(zhuǎn)換[8]；具備16位分辨率，-10～+10 V、10 mA帶載能力；DAC輸出響應(yīng)為10 μs；高速SPI接口可用于中央處理器數(shù)據(jù)交換；輸出模擬帶寬為350 kHz。

采用AD8056運放設(shè)計達(dá)到液壓伺服閥20 mA驅(qū)動能力。

3 控制軟件

3.1 CS5532驅(qū)動程序

驅(qū)動程序包括芯片初始化及其相關(guān)寄存器配置。

3.2 DAC8563驅(qū)動程序

初始化DAC8563芯片。

3.3 液壓伺服加載流程

液壓伺服加載以操縱桿加載通道作為設(shè)計分析對象，其他通道加載原理一致。它的加載流程，如圖5所示。

圖5 液壓伺服加載流程圖

3.4 變參數(shù)PID控制算法

為了快速高精度跟隨，該液壓伺服控制采用增量式PID控制方式[9]。PID算法由式（1）減去式（2）得到式（3）的控制增量。

由于一般控制都采用恒定的采樣周期T，一旦確定了Kp、KI、KD，只要使用前后3次測量值的偏差即可求出控制增量[10]。這樣利用算式（4）通過軟件來執(zhí)行加上上次的輸出值，即可獲得這次的數(shù)字PID控制器輸出值。

為了改善液壓伺服閥過零點的非線性影響，采用分段的PID控制參數(shù)[11-12]。根據(jù)實測液壓伺服小于±300 N這個區(qū)間范圍的修正效果最明顯，以±300 N作為分界點配置不同PID系數(shù)。

4 試驗結(jié)果

伺服控制器的一個通道設(shè)計為±20 000 N，用于尾部操縱桿力加載。對它進行推拉力（該系統(tǒng)預(yù)設(shè)推力為正、拉力為負(fù)）跟隨試驗，設(shè)置加載拉力為-9 650 N，跟隨效果如圖6所示，其中橫軸每格代表10 ms。可見，在100 ms可以穩(wěn)定跟隨目標(biāo)力值，跟隨精度達(dá)到±2%F.S的要求范圍。

圖6 實際力跟隨加載圖

5 結(jié)語

結(jié)合直升機尾部減速器操縱軸與操縱桿臺架試驗的力加載特點，實現(xiàn)了以stm32F407為中央處理器、CS5532為力傳感器采集芯片、DAC8563為伺服閥驅(qū)動芯片的多通道液壓伺服控制器。該數(shù)字液壓伺服控制器采用變PID參數(shù)控制算法，可以實現(xiàn)50 μs的伺服計算周期、跟隨精度達(dá)到±2%F.S。試驗結(jié)果表明，該多通道液壓伺服控制器具有控制精度高、強運算速度快的特點，可滿足升機尾部減速器操縱軸與操縱桿臺架試驗時對力加載高精度和高動態(tài)加載的要求。