基于DSP的電液伺服控制系統研究

羅長才，馬家文

（比亞迪機電設備有限公司，廣東 深圳 518118）

液壓伺服系統自上世紀50年代出現，經過60多年的發展[1]，在汽車工業的發展中電液伺服控制系統在汽車金屬材料、非金屬材料、零部件、汽車車身等的機械性能及工業性能試驗驗證非常成熟，汽車車身、底盤、座椅、懸架及減震系統等汽車動態特性的實驗分析需求日益增加。但縱觀國內汽車行業電液伺服控制系統基本上被國外品牌穆格、阿托斯、英斯特朗、MTS等廠商壟斷，電液伺服控制系統一通道售價在10萬人民幣左右，價格高昂。目前國外品牌電液伺服控制系統頻率在0.1 Hz～100 Hz[1]，加載行程：0 mm～ 200 mm左右。模擬量采集位數16位、采樣頻率 1 kHz～10 kHz，輸出控制響應在1 kHz～20 kHz，采集精度在5‰左右，動態控制精度1%FS左右。

針對上述情況并為了打破國外品牌的壟斷地位，設計了一款自研電液伺服控制系統具備力和位移的雙閉環控制，成本在每通道1萬人民幣左右，實現高動態的高精度的正弦、三角、隨機波等加載及靜態力加載、位移加載測試，并通過實驗驗證動態響應和控制精度同國外品牌的液伺服控制系統相當。

1 電液伺服控制系統參數

自研電液伺服控制系統參數如表1所示，其中汽車零部件動態加載時所需行程都在120 mm以下，考慮到高動態響應要求動態加載行程規劃為0 mm～150 mm，雖然比國外品牌的值較小，不影響相關測試。

表1 技術參數

8 位移采集精度/mm ±＜0.029 力采集精度/（%FS） ＜0.310 位移控制精度/mm ±＜0.111 力控制精度/（%FS） ＜112 通信方式 以太網、RC485.CAN 13 傳感器供電可選/V DC5、12、24

2 原理介紹

2.1 電液伺服系統原理

電液伺服系統如圖1所示，由上位機系統、多通道液壓伺服控制器、液壓動力機構和反饋機構組成的一個閉環控制系統。人機界面工況及運行上位機軟件控制系統實現人機數據交互，多通道液壓伺服控制器采用動態換擋程序（Dynamic Shift Program, DSP）芯片整個作為控制方案的核心，多通道液壓伺服控制器對負載的位移、壓力傳感器信號進行采集，通過比例積分微分（Propor- tion Integration Differentiation, PID）運算后閉環輸出控制電液伺服閥，電液伺服閥驅動液壓缸動作，行業中在液壓缸內部安裝磁致伸縮式位移傳感器采集位移信號，可靠性雖然高，但該信號類型為模擬量，抗干擾能力較差，為提升整體控制精度本方案采用外置式光柵尺，通過多通道液壓伺服控制器高數計數口采集，位移精度可以做到0.01 mm，且抗干擾能力較強。

圖1 系統原理圖

2.2 控制原理介紹

在伺服液壓閥本身的伺服閉環控制基礎上增加外環位移閉環控制和力閉環控制，實現雙環閉環控制的原理設計，即位移閉環控制和力閉環控制。位移閉環控制：多通道液壓伺服控制器通過給定目標位移值運算輸出0 mA～20 mA電流信號驅動伺服液壓閥動作，伺服液壓閥控制液壓缸動作，外置柵尺位移檢測采集液壓缸動作位移信號，進行PID運算后在改變0 mA～20 mA電流信號驅動伺服液壓閥動作，從而實現位移的目標和實際值相等的閉環控制；力閉環控制：多通道液壓伺服控制器通過給定目標力值運算輸出0 mA～ 20 mA電流信號驅動伺服液壓閥動作，伺服液壓閥控制液壓缸動作，外置壓力傳感器檢測并采集液壓缸動作負載的壓力信號，進行PID運算后在改變0 mA～20 mA電流信號驅動伺服液壓閥動作，從而實現力的目標和實際值相等的閉環控制。

為提升位移閉環控制和力閉環控制動態響應能力，在此閉環控制的基礎上設計硬件電控設計輸出位移動態補償回路和力動態補償回路來提升系統響應能力。電液伺服系統控制如圖2所示。

圖2 控制原理圖

3 硬件設計

在汽車靜載或疲勞測試過程中90%情況下使用到一個通道，道路模擬測試需要使用到4個通道，因此一臺液壓伺服控制器配置4個液壓控制通道，主要由電源板、狀態指示板、主板、DIO板控制板、閉環控制板、網絡通訊板組成。其中一個閉環控制板和一個信號處理板組成一個伺服控制通道，該控制器的內部結構如圖3所示，主板DSP1和四核通道的閉環控制板DSP2、DSP3、DSP4、DSP5均采用TMS320F2812芯片，TMS320 F2812芯片參數為32位定點數字信號處理器，隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM)：36 KB，Flash存儲器DSP1256KB，io通道56個，PWM16通道，CAP6通道，QE2通道，串口類型：SPI、SCI、eCAN、McBSP，3個外部中斷和45個可用的外設中斷，12位ADC。DSP1作為整機的控制核心負責上位機信號交互、四核閉環控制板的中央協調控制、過程數據存儲等功能，DSP2、DSP3、DSP4、DSP5分別負責每個伺服通道的信號采集及伺服閉環實時控制。

圖3 控制器的內部結構

電源板-供電方案：通過兩個變壓器單相AC220V電源單相AC24V、AC15V電源，AC24V整流二極管整流濾波為DC24V電源，DC24V電源經穩壓芯片LM2575提供5V電源為控制芯片供電，DC24V電源經穩壓芯片LM7812和LM7805提供DC12V和DC5V電源為控制傳感器供電；AC15V電源經穩壓芯片LM7815和LM7915提供DC+15V和DC-15V為信號處理板濾波、放大等供電；閉環控制板設計電源轉換，DC5V經芯片TPS75733轉變為DC3.3V為DSP-TMS320F2812、存儲芯片K9K8G081UOM等芯片提供電源；基準電源芯片將D3.3轉變為DC1.9V基準電源為模擬量采集提供1.9 V基準電源；電源隔離芯片VB0505S將DC5V電源隔離輸出DC5V為模擬量采集芯片供電，從而到達模擬電源和數字電源的隔離，保證信號不干擾。

狀態指示板主要由5個LED組成，用主板控制芯片DSP-TMS320F2812的IO口控制輸出驅動LED點亮，狀態顯示控制的電源指示、運行指示、通信狀態指示、故障指示、報警指示信息。

主板采用TMS320F2812，設計150 MHz時鐘晶振最為系統時鐘，設計CY7C104CV33（256Kb× 8）靜態RAM有程序存儲，通過SPI同步并行通信方式與存儲芯片K9K8G081UOM進行交互，提供 8位4G的過程存儲能力；DXP1的19路DI輸入XA0-XA18采集來自IO控制板的按鈕輸入信號（啟動、停止、故障復位等），DXP的16路DO輸出型號輸出控制狀態指示板的LED燈和IO控制板的油源控制回路（油源啟停、回路液壓閥、泄壓閥等）；DXP1通過并口與通信板的以太網控制芯片W5300、串口芯片MAX232、CAN通信芯片TJA1040，進行提供以太網接口，485串口和CAN通信方式與上位機和外部通信。

IO控制板主要將IO控制板采集的按鈕輸入信號（啟動、停止、故障復位等）經74LS165采集后通過串行通信接口（Serial Communication Interface, SCI）通信方式傳輸給主板DSP1進行數字量信號采集。主板DSP1并通過SCI方式控制，IO控制板的數字量輸出芯片LM4094輸出，在經過ULN2803AQ驅動油源控制回路（油源啟停、回路液壓閥、泄壓閥等）及控制狀態指示板的LED燈。

閉環控制板為滿足每個伺服通道的高響應和實時性要求，每個伺服控制通道設計一個DSP進行獨立控制，型號均為TMS320F2812，每個通道可以獨立使用，根據使用需求進行配置。閉環控制板DSP自帶的AD為12位，不能滿足采樣精度要求，因此，在閉環控制設計16位AD采集芯片AD7720來采集壓力傳感器壓力信號，信號處理壓力傳感信號通過AD620進行放到后在經過TL082進行高頻濾波后經OP07低頻濾波后輸出給AD7720采集。位移傳感器器光柵尺信號進SDC2760處理后輸出給DSP的CAP高速通道。DSP的模擬輸出DA通道經芯片OP07信號調理后，通過TL082放大驅動液壓伺服閥。

通信板集成了以太網、485串口和控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）通信方式，以太網采用芯片W5300，設計30MHz時鐘晶振最為系統時鐘，保證以太網的通信速率在10 M以上，并通過HR901175A網絡變壓器與外部進行交互；485串口采用芯片MAX232并配置ADUM2402進行信號隔離驅動，保證通信外部不受電磁干擾損傷芯片；CAN網絡采用芯片TJA1040,同樣配置ADUM2402進行信號隔離驅動，保證通信外部不受電磁干擾損傷芯片。485串口和CAN通信方式均通過時鐘芯片M41T94同DSP1芯片進行數據交互。

4 軟件設計

軟件由上位機軟件、主控軟件、閉環控制軟件、上位機驅動軟件、下位機驅動軟件組成，如圖4所示。

圖4 程序結構圖

上位機軟件基于LabVIEW進行開發，由液晶顯示、輸入輸出人機交互、參數設置、給定信號生成器、傳感器配置及標定、與主控數據交互、用戶管理、測試流程管理、測試數據存儲、測試流程管理、數據分析等模塊組成，上位機軟件界面如圖5所示。用戶管理，主要根據管理員和一般用戶兩種用戶賦予軟件系統的不同權限，保證系統使用的安全與準確；數據分析，對于試驗過程中采集的數據進行回放，分析試驗過程中發現的問題；通道配置，配置本系統中需要用到的資源。通道標定，對系統中所用到的采集通道的零點、增益、量程等參數進行標定，保證試驗的準確性。測試管理包括功能調試、通訊板硬件調試和子板硬件調試。功能調試，主要用于調整下位機的參數和PID模糊控制參數，使液壓伺服控制器能滿足試驗的需求。通訊板和子板硬件調試模塊，主要利用直觀的界面方便硬件的調試。試驗過程主要包括試驗管理、信號校準、起點調整、試驗控制和數據監控。試驗管理，用于配置試驗人員、試驗樣品和試驗參數。起點調整，調整樣品試驗的起點。給定信號生成器主要用途有兩個：一是通過函數自動生成正弦波、三角波、鋸齒波曲線作為伺服液壓系統的控制目標曲線；二是將道路采集的道路載荷信號通過數據處理后，生成道路載荷曲線，為道路模擬提供控制目標曲線。上位機軟件將設置參數、目標曲線、指令等信息處理后通過以太網傳給主控DSP運算控制，同時主控DSP將下位機的狀態信號、傳感器采集曲線等數據通過以太網傳輸到上位機軟件處理顯示。

圖5 上位機軟件界面

下位機軟件基于CCS軟件平臺進行開發，由主控軟件和閉環控制軟件組成。

主控軟件部署于DPS1中，由任務分配與協調、系統流程控制、io控制、與閉環控制板交互、上位機的交互、以太網通信、串口485通信、CAN通信模塊組成。做為下位機的控制核心，起承上啟下作用，將上位機通過以太網通信協議將控制指令信息處理后輸出控制io板、閉環控制板控制輸出，同時將io板、閉環控制的狀態信息反饋給上位機處理、保存及顯示，并負責太網通信、串口485通信、CAN通信通信驅動及通信協議解析。

閉環控制軟件署于DPS2、DPS3、DPS4、DPS5中，由力信號采集、力信號軟件濾波、位移光柵尺軟件濾波、PID運算控制、伺服閥驅動與主控數據交互等模塊組成。具備力和位移的采集、標定、軟件濾波，實現位移、力、扭矩、加速度的精確閉環控制，實現道路模擬、正弦波、三角波、方波、定頻定幅動態加載試驗；各種直線運動的模擬負載閉環控制。

5 采集和控制精度驗證

5.1 位移采集精度驗證

位移精度采集精度驗證方法：利用一個量程為0 mm～1000 mm，精度為±0.001 mm高精度的高度位移傳感器（標準值）通過工裝平行安裝伺服控制系統的光柵尺位移傳感（測量值）一旁同時去，在相同的環境下同時測10組位移數據然后計算誤差并得出液壓伺服系統的的位移采集精度。誤差等于測量值減去標準值，測試數據如表2所示，結果位移采集最誤差為0.014 mm，小于位移采集精度±0.02。

表2 位移標定結果

5.2 力采集精度驗證

力采集精度驗證方法：利用一個量程為50 kN，精度為0.2 %FS的高精度力標定采集系統（標準值）和安裝伺服控制系統的力傳感器（測量值），使用式（1）計算精度。測試數據如表3所示，結果力采集最大值誤差精度為0.29 %FS，小于壓力采集精度0.5 %FS。

表3 位移標定結果

式中，J為精度；A為測量值；M為標準值；U為量程。

5.3 位移控制精度驗證

位移控制精度驗證方法：使用伺服控制系統控制伺服液壓閥，驅動液壓缸做位置控制，設定6段行程（設定值），使用高度位移傳感器量程為 0 mm～1000 mm，精度為±0.001 mm（測量值），誤差等于測量值減去設置值。測試結果如表4所示，結果最大位移控制誤差為-0.079，小于位移控制精度±0.1 mm。

表4 位移控制標定結果

5.4 力控制精度控制驗證

力控制精度驗證方法：使用伺服控制系統控制伺服液壓閥，驅動液壓缸做力控制，設定6段力值（設定值），使用高精度力標定采集系統程為量程為50 kN，精度為0.2 %FS（測量值），使用式（1）計算精度，其中設定點為標準值。測試結果如表5所示，結果最大力控制誤差精度為0.48 %FS，小于力控制精度＜1 %FS。

表5 力控制標定結果

6 疲勞耐久試驗中的驗證

在汽車整車及零部件測試中疲勞耐久試驗最能體現電液伺服系統動態響應及可靠性，因此，選擇汽車減震器疲勞耐久試驗來驗證自研電液伺服系統動態響應及可靠性。

6.1 驗證方法

采用位移控制模式對汽車減震器進行500萬次正弦波加載疲勞耐久測試，幅值為±5 mm，加載周期為0.5 Hz，每完成50萬次循環進行金屬探傷 檢測，要求500萬次疲勞耐久測試后該產品完整，經金屬探傷檢測無裂痕并無漏油現象。將減震器安裝于如圖6所示的設備上，通過上位軟件配置參數后自動生成正弦波加載曲線。啟動電液伺服系統，開始疲勞耐久測試。

圖6 試驗設備圖

6.2 驗證的效果

測試效果圖如7所示，虛線曲線1為目標加載曲線、細實曲線2為實時位移曲線，粗實曲線3為實時力曲線。通過該圖可以看出實際控制曲線與給定的目標曲線動態跟隨性控制在150 ms以內，非常接近目標曲，且平滑。該控制曲線同國外品牌的電液伺服系統控制水平相當，進一步證明了自研電液伺服系統的動態響應性能好。并且設備無故障情況下完成了減震器500萬次的正弦波加載疲勞耐久測試任務，充分驗證了自研電液伺服系統的可靠性。

圖7 測試波形圖

7 結語

本文結合汽車整車及零部件剛度和疲勞測試的試驗需求，自研開發設計了以LabVIEW和DSP為核心的實時高精度電液伺服控制系統，系統人機交互界面美觀、易于操作，液壓伺服控制器控制精度高、穩定性好、實時性強。通過力和位移的采集精度和控制精度驗證測試和疲勞耐久試驗中的驗證在，說明了該電液伺服控制系統采集精度、控制精度、動態響應以及可靠性已經到達了國外同類型的控制水平，且該產品一個通道的成本在1萬元人民幣左右，是國外品牌成本的十分之一。現已經廣泛應用于公司的汽車整車及零部件試驗，并取得良好效果，從而提高了公司汽車的綜合品質，提升了新能源汽車的研發能力及手段，降低了整車開發成本。同時為后續類似產品開發提供經驗借鑒。