數字式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 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014）

0 引言

電液比例閥作為電-液-機械轉化的核心部件，具有推力大、結構簡單、對油質要求不高、價格低廉等優(yōu)點，在工程機械中得到廣泛應用[1]。隨著電液比例技術的發(fā)展，電液比例閥在很多方面已經接近電液伺服閥，例如穩(wěn)態(tài)滯環(huán)可達到 1%～3%，重復精度0.5～1，電液比例技術比電液伺服技術具有更廣的發(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”,具有調度控制、功率驅動、信號處理等功能,其性能優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的控制性能[2]，因此，對其展開研究具有重要意義。然而市場上比例控制器多為模擬電路，功耗大，控制算法難以應用在其上面，參數調整困難。隨著微電子、計算機和液壓傳動技術的發(fā)展和成熟，數字化控制已被廣泛應用到比例控制系統(tǒng)中。國外對電液比例控制器的研究較早,技術水平較高,各知名液壓企業(yè)(如 Boseh一 Rexroth、Eaton、EPEC 等公司)均有性能好、可靠性高的產品面市；但我國比例技術起步較晚，相應產品較少，與國外同類產品相比，控制性能和可靠性仍然存在較大差距。國內市場上，數字化控制器產品較少，且多為通用型，參數不易調整，針對不同比例閥，控制效果差異較大。

因此，本文針對本實驗室開發(fā)的預拉預扭全橋式2D電液比例換向閥設計一款基于DSP芯片的數字式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計

1.1 控制系統(tǒng)結構及原理

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、模擬量信號輸入電路、微控制器、光耦隔離電路、全橋驅動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)時鐘可達150 MHz，可以保證系統(tǒng)響應的實時性。輸入信號可由信號發(fā)生器提供電壓信號輸入至ADC引腳，經ADC采樣轉化為數字信號，該信號與電流采樣信號作差，經PID調節(jié)輸出高頻PWM波，利用反接卸荷式全橋電路轉化為線圈電流，驅動閥芯運動。除主要電路外，本文設計了JTAG接口、按鍵以及顯示模塊，以方便系統(tǒng)在運行過程中參數調節(jié)。

1.2 硬件電路設計

功率驅動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)和動態(tài)性能及工作可靠性[3-5]。開關式功率驅動具有功耗低、效率高、頻響高、便于集成等優(yōu)點,目前絕大部分的比例控制器均采用開關式功率驅動。開關式按電路結構可分為半橋式和全橋式，如圖2、圖3所示。

圖2 半橋驅動電路

圖3 全橋驅動電路

半橋式驅動電路結構簡單，元器件較少。全橋式驅動電路雖然結構稍復雜，但能很好地保證波形，提高控制器的動態(tài)性能。

圖4 半橋和全橋驅動電路上升沿線圈電流曲線

圖5 半橋和全橋驅動電路下降沿線圈電流曲線

圖4、圖5分別為半橋和全橋驅動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動電路電流響應速度比半橋驅動電路要快，對于保證波形、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動電路。

1.3 控制器軟件設計

控制程序是整個控制器的“靈魂”，其主要功能是數據采集和處理以及中斷響應，保證控制器正常工作。整個軟件分為系統(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

控制算法作為整個軟件的核心部分，控制整個系統(tǒng)按特定規(guī)律運行。在現有的控制算法中，PID算法是一種比較經典的控制算法，經過幾十年仍然被廣泛應用于各種控制系統(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，針對這一現象，本文設計了一種線性回歸校正算法，如下式：

式中：P1、P2分別為PWM占空比的調整值、當前PWM占空比；K1、K2、K3分別為調整增益比、理想占空比與電流增益比，實際占空比與電流增益比；B為回歸線截距值；I為當前電流值。

試驗表明，經線性回歸算法校正，可以極大地提高線性度，如圖7所示。

圖7 校正前后曲線對比

由于PID算法運算量較大，增大CPU的負擔，影響程序的實時性，本文采用TI公司提供的IQmath函數庫，將浮點型運算轉換成定點運算，提高CPU的運算速度。

1.3.2 ADC采樣

模擬信號輸入和電流閉環(huán)都需要用到ADC采樣，DSP2812提供了16個采樣通道，為提高采樣精度，本文采用多通道測同一組數據，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，保證控制信號的穩(wěn)定性。

1.3.3 顫振

2D比例換向閥在改變閥開口時需要進行軸向直動和繞軸旋轉運動，在運動過程中會產生較大摩擦力，影響閥的靜動態(tài)特性。本文針對這一問題，使用軟件方式在輸出信號上疊加一顫振信號，使閥芯始終處于滑動摩擦，減小摩擦因素的影響。顫振信號發(fā)生函數置于EV周期中斷函數中，即每產生一次EV事件中斷，顫振信號就會疊加在輸出信號上，保證了顫振信號的及時響應。計算公式如式(2)所示，試驗效果如圖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為計數值；f2為中斷函數頻率。

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程序中相關參數的調節(jié)，本文主要改變參數有顫振頻率、顫振幅值、初始電流（兩路）、PID 參數(Kp、Ki、Kd)。 該模塊采用外部中斷方式，節(jié)省CPU開銷。

2 2D比例換向閥結構及工作原理

本實驗室所開發(fā)的2D電液比例換向閥是一種集直動式和導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軸器，通過聯軸器把比例電磁鐵直線運動轉換為閥芯的軸向直動和繞軸旋轉運動，閥芯在旋轉過程中引起感應通道處的高低壓孔錯位，進而導致敏感腔壓力發(fā)生變化，推動閥芯軸向運動，實現推力放大。軸向運動又會引起繞軸方向旋轉，高低壓孔回復到初始位置，從而達到新的平衡，保證閥芯位置的穩(wěn)定性。詳細結構與工作原理請見參考文獻[6]。

3 實驗研究

3.1 試驗平臺

2D電液比例換向閥的動態(tài)特性試驗測試平臺如圖9所示，測試系統(tǒng)主要由信號控制系統(tǒng)、液壓測試系統(tǒng)及信息采集系統(tǒng)組成。在上壓時，閥芯位移可以通過閥芯導桿導出，利用激光位移傳感器把閥芯位移信號輸入記憶示波器。

圖9 2D電液比例換向閥測試系統(tǒng)簡圖

3.2 實驗研究

本文通過實驗分別使用通用型比例控制器與數字式2D比例換向閥控制器進行2D比例換向閥性能測試，使用通用型比例控制器測得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。而使用數字式2D比例換向閥控制器測得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 18 Hz，頻率特性曲線如圖11所示。結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2D比例換向閥具有較好的控制效果，對其他比例電-機-械轉換器也有較好的控制效果。例如力矩馬達，雙向比例電磁鐵。圖12為力矩馬達階躍圖像，電流響應僅0.5 ms，并且超調后迅速穩(wěn)定。該控制器使用反接卸荷式全橋電路作為功率驅動電路，可以實現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 結論

(1)試驗表明，數字式2D比例換向閥控制器對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節(jié)，2D比例換向閥性能得到很大改善。

(2)該控制器設計的按鍵和顯示模塊，可以方便地調節(jié)系統(tǒng)控制參數，例如顫振頻率和顫振幅值可獨立調節(jié)以及PID參數調整，增強了該控制器的適應能力。

(3)該控制器對其他比例電-機-械轉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自適應能力，需要現場手動設定PID參數，以后可以修改程序，增設自適應模塊。

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

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

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

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

[5]蔡健琦，韓波.直接數字控制的比例放大控制系統(tǒng)的設計[J].機械科學與技術，1998，17(4)：596-597，605.

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