阮　健，崔　凱，李　勝

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點實驗室,浙江 杭州 310014)

大流量2D伺服閥新型控制器的研究

阮健，崔凱，李勝

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點實驗室,浙江 杭州 310014)

摘要：介紹了一種新型的2D閥的控制器.2D伺服閥采用伺服螺旋機(jī)構(gòu)實現(xiàn)閥芯的角位移轉(zhuǎn)化成閥芯的軸向位移，閥芯的旋轉(zhuǎn)運動由一步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動，閥腔內(nèi)產(chǎn)生的壓力差推動閥芯的軸向運動.該控制器以基TMS320F2812DSP芯片的空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)，以PWM功率放大電路和A/D采樣電路作為基本硬件組成.該控制器的軟件部分由C語言編寫的控制程序組成.結(jié)合給出的系統(tǒng)流程圖，搭建實驗平臺并對該控制器性能進(jìn)行測試.實驗結(jié)果表明該控制器具有良好的性能。

關(guān)鍵詞：TMS320F2812；1 000 L/min 2D伺服閥；空間電壓矢量調(diào)制

The study of new controller for 1 000 L/min 2D servo valve

RUAN Jian, CUI Kai, LI Sheng

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Ministry of

Education, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:This paper presents a novel 2D valve controller. The 2D servo valve using servo screw mechanism converts angular displacement of the spool into axial displacement of the spool. The axial displacement of the spool is controlled by pressure difference in the valve chamber because of servo-screw mechanism and the rotary motion is actuated by a stepper motor. The controller is based on the Space Vector Pulse Width Modulation technology of the TMS320F2812. Its hardware circuit is composed by the PWM power amplifier circuit and A / D sampling circuit. Software part of the controller is composed by the C language program. Combined with the system flow chart, experimental platform to test the performance of the controller. Experimental results show that the controller has a good performance。

Keywords:TMS320F2812; 1 000 L/min 2D valve controller; space vector pulse width modulation

改革開放以來，我國工業(yè)現(xiàn)代化尤其是電液伺服技術(shù)正迅速發(fā)展，尤其在高精度、重載的系統(tǒng)中.加之現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得電液伺服技術(shù)的發(fā)展空間得到了進(jìn)一步的擴(kuò)大，尤其是在航空航天領(lǐng)域.電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥的控制精度直接影響整個系統(tǒng)的精度，所以伺服閥的控制可以說是整個液壓系統(tǒng)控制的核心.采用2D閥的結(jié)構(gòu)方案，2D閥具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)點.為使該2D閥達(dá)到設(shè)計要求，采用空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)并在此基礎(chǔ)上引入位置閉環(huán)和電流閉環(huán)控制.采用數(shù)字信號處理器TMS320S2812作為控制器并運用連續(xù)跟蹤算法[1]通過控制電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)對閥芯的精確控制，理論分析與實驗結(jié)果表明，該控制器具有良好的性能。

12D伺服閥的工作原理

2D伺服閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，2D閥主要由閥芯閥體組成，2D閥的由來是因為閥芯可以在閥體內(nèi)完成水平和旋轉(zhuǎn)兩種運動.在閥芯上開有與右腔連通的3，4兩孔，從而保證右腔壓力與P口保持一致.將左腔的面積設(shè)計為右腔面積的兩倍，閥芯左端開有高低壓孔，其中高壓孔與3，4兩孔相通，低壓孔與T口相通，在靜態(tài)時若不考慮摩擦力及閥口液動力的影響，左腔壓力為系統(tǒng)壓力P的一半，在穩(wěn)態(tài)液動力的影響下，閥芯軸向保持靜壓平衡，與螺旋槽(閥體上)相交的高低壓側(cè)的弓形面積相等.當(dāng)以逆時針的方向轉(zhuǎn)動閥芯，則高壓側(cè)的相交面積增大、低壓側(cè)的相交面積減小，左腔壓力升高，并推動閥芯向右移動，同時低壓孔又回到螺旋槽的兩側(cè)，處于高低壓側(cè)相交面積相等的位置，左腔的壓力恢復(fù)為系統(tǒng)壓力的一半，從而保持平衡；若順時針的方向轉(zhuǎn)動閥芯，變化則正好相反，閥芯向左移動.因閥芯具有雙自由度運動，故稱該閥為2D閥[2]。

圖1　2D伺服閥結(jié)構(gòu)原理Fig.1　The principle structure of 2D servo valve

2SVPWM調(diào)制算法

SVPWM以平均值等效原理為理論基礎(chǔ)，在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等.在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到.兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加從而控制各個電壓失量的作用時間，使電壓空間矢量接近圓形軌跡，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波[3].逆變電路如圖2所示，由于逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，定義開關(guān)函數(shù)Sx(x=a，b，c)為

圖2　三相逆變電路Fig.2　The three-phase inverter circuit

(1)

(Sa，Sb，Sc)的全部可能組合共有8種，包括6個非零矢量U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)和兩個零矢量U0(000)，U7(111).8個基本電壓空間矢量的位置和大小如圖3所示，通過8個電壓空間矢量的線性組合即逆變器各個開關(guān)的開關(guān)時間和順序來控制逆變器的輸出電壓組合從而形成多邊形電壓矢量軌跡，最終獲得圓形旋轉(zhuǎn)磁通實現(xiàn)SVPWM調(diào)制。

圖3　電壓空間矢量Fig.3　The voltage space vector

3實現(xiàn)方案

圖4　基于TMS320F2812的三相步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖Fig.4　The control system block diagramof three-phase stepper motor based on TMS320F2812

基于TMS320F2812的三相步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示.給定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號并由位置信號產(chǎn)生兩路相位相差120°的電流信號，電流信號經(jīng)過CLARKE和PARK變換后，與電機(jī)的采樣電流經(jīng)過變換后的數(shù)值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對電機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩的實時控制.同時給定的位置信號，與電機(jī)后面的角位移傳感器反饋回來的位置信號進(jìn)行位置閉環(huán).由于本系統(tǒng)中同時引入了位置和電流閉環(huán)，所以可以高效率，高精確度的控制電機(jī)。

4系統(tǒng)總體設(shè)計

4.1系統(tǒng)硬件組成

2D伺服閥控制器的硬件電路組成，如圖5所示，主要由電源電路，控制信號輸入接口，2812處理器最小系統(tǒng)，PWM功率輸出電路和電流檢測模塊等組成.該控制器設(shè)計3路PWM功率放大電路分別控制步進(jìn)電機(jī)的三相電流從而控制閥芯的運動。

圖5　2D伺服閥控制器組成框圖Fig.5　The block diagram of 2D servo valve controller

4.2硬件電路設(shè)計

4.2.1PWM功率放大電路

本控制器的PWM信號由2812的PWM信號輸出引腳輸出，其中一路PWM功率放大電路如圖6所示.該電路由2個MOSFEI(Q9和Q11為IRF640N)組成半H橋電路，對步進(jìn)電機(jī)線圈兩段電壓進(jìn)行調(diào)制，從而控制輸出電流的大小.其中隔離電路由2個高速光耦合器(6N137)組成，驅(qū)動電路采用IR2110S來驅(qū)動MOSFEI[4]。

4.2.2電流采樣電路

電流閉環(huán)控制有利于提高放大器增益的穩(wěn)定性，減少放大器的失真等.由于三相電機(jī)的三相電流之和為零，所以只要采樣出兩路電流信號，另外一路可由ia+ib+ic=0算出.對應(yīng)圖6的電流采樣電路，如圖7所示.采樣電阻R71對B相電流進(jìn)行采樣，經(jīng)過隔離運放HCPL7800，和LF412放大并經(jīng)OP07偏置后接入2812的A/D引腳，實現(xiàn)電流閉環(huán)。

4.3軟件設(shè)計

控制程序采用C語言按照功能模塊分別編寫，主要包括系統(tǒng)初始化模塊，中斷初始化模塊，事件管理器初始化模塊和A/D初始化模塊等[5]如圖8所示.其中初始化是指DSP運行以前的狀態(tài)，包括：

1) 設(shè)置系統(tǒng)時鐘，CPU時鐘為30M鎖相環(huán)使能，關(guān)閉看門狗，初始化各個I/O口。

圖6　PWM功率放大電路Fig.6　The power amplifier circuit of PWM

圖7　電流采樣電路Fig.7　The circuit of current sampling

圖8　控制軟件工作流程圖Fig.8　The control software of work flow chart

2) 設(shè)置事件管理器模塊，初始化定時器，設(shè)置比較模式，6相PWM輸出。

3) A/D采樣初始化，選擇采樣通道，對ADFIFO清零。

系統(tǒng)開始時先對系統(tǒng)模塊、中斷模塊、A/D模塊以及事件管理器模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后讀取由信號發(fā)生器發(fā)出的角位置控制信號，經(jīng)過DSP內(nèi)部處理將控制信號首先轉(zhuǎn)換為3路互差120°的電流信號，經(jīng)過PARK和CLARKE變換后與實際信號經(jīng)PID運算后得到Uα和Uβ并判斷位置信號所處扇區(qū)，在扇區(qū)內(nèi)計算各向量所作用的時間，將時間的值賦給系統(tǒng)比較寄存器，進(jìn)而控制產(chǎn)生PWM波，對位置信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5實驗結(jié)果分析

為了研究大流量2D伺服閥的動態(tài)特性，搭建試驗平臺，如圖9所示，試驗系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、數(shù)字閥控制器、無接觸式磁感應(yīng)位移傳感器、激光位移傳感器、示波器信號發(fā)生器。

圖9　實驗系統(tǒng)圖Fig.9　The diagram of ware of the experimental system

信號發(fā)生器輸出的波形信號與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)數(shù)字閥控制器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)輸出小幅度的角位移，從而驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)，再通過伺服螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為閥芯的軸向位移閥芯的軸向位移[6].由激光位移傳感器測得顯示在示波器上.這樣可以得到在不同幅值和頻率的波形信號作用下的閥芯位移響應(yīng)曲線[7-8]。

根據(jù)以上分析制作出控制器，并對電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實驗驗證.本實驗采用的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器為富春電機(jī)有限公司生產(chǎn)的FL573P79-5801A型三相步進(jìn)電機(jī).此電機(jī)的相電阻為1.05 Ω，相電流為5.8 A，相電壓為6 V.在25%閥開口幅值條件下，測得2D伺服閥在不同頻率正弦信號作用下的頻率響應(yīng)，如圖10(a～d)所示(圖中實線為控制信號，虛線為閥芯位移).從圖10可以看出:2D伺服閥在低頻段具有良好的跟蹤特性，表明其具有良好的靜態(tài)特性.根據(jù)不同頻率正弦信號下頻率響應(yīng)可以得到2D伺服閥的頻率特性，如圖11(a,b)所示.從圖11可以看出：該2D閥在120Hz時，相位滯后約90°，對應(yīng)衰減-3 dB。

6結(jié)論

采用基于DSP2812的空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)，并配合外圍的PWM功率放大電路以及A/D采樣電路，完成了大流量2D伺服閥控制器的基本硬件電路.電流和位置雙閉環(huán)系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的控制精度，實現(xiàn)了對三相混合式步進(jìn)電機(jī)的精確控制從而進(jìn)一步實現(xiàn)了對2D伺服閥的控制.實驗結(jié)果表明：該2D閥在100 Hz時，相位滯后約90°，-3 dB對應(yīng)的頻寬約為150 Hz，控制器具有良好的性能。

圖10　不同頻率正弦信號下的頻率響應(yīng)Fig.10　Frequency response under different frequency sinusoidal signal

圖11　頻率特性圖Fig.11　The diagram of frequency characteristic

參考文獻(xiàn)：

[1]李勝.2D伺服閥數(shù)字控制的關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2011。

[2]邢彤,左強(qiáng),楊永帥,等.液壓激振技術(shù)的研究進(jìn)展[J].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012.23(3):362-367。

[3]CUI Jian, DING Fan, LI Qipeng. Novel bidirectional rotary proportional actuator for electrohydraulic rotary valves[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(7):254-258。

[4]范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真[J].電氣傳動自動化,2009,31(3):19-21。

[5]張凱.1 000 L/min 2D數(shù)字伺服閥的設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2013。

[6]王曉旭.用于DSP的事件管理器的研究與設(shè)計[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2013。

[7]鄒正佳,李勝,阮健,等.2D數(shù)字伺服閥的動態(tài)特性試驗研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011.39(4):429-432。

[8]劉乃新,阮健,裴翔.一種2D三通數(shù)字伺服換向閥的理論和實驗研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010.38(4):396-400。

(責(zé)任編輯：陳石平)

中圖分類號：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)02-0154-05

作者簡介：阮健(1963—),男，福建福安人,教授，博士生導(dǎo)師,研究方向為電液控制,E-mail：yanyan333@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51375445)；浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LZ13E050002)；浙江省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊(2011R50011)

收稿日期：2014-09-16