基于TMS320F28335的RDDV閥控制器設(shè)計(jì)

阮崢，毛良，魏浪

(航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 航空工業(yè)南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，伺服閥的研究和應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展。電液伺服閥是較早出現(xiàn)的一種伺服閥，它能在接受電信號(hào)后輸出調(diào)制的流量和壓力，但由于其抗污染能力差，在應(yīng)用時(shí)受到很大限制。為解決這種問題，國(guó)內(nèi)外廠家推出直接驅(qū)動(dòng)閥(DDV)[1-2]。直接驅(qū)動(dòng)閥利用直線位移力馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)閥芯，具有質(zhì)量輕、體積小、費(fèi)用低、內(nèi)漏小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)閥(RDDV)是直接驅(qū)動(dòng)閥的一種，出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代。國(guó)外將電子控制器運(yùn)用到旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)閥中，使這類伺服閥數(shù)字化應(yīng)用更加廣泛。

近些年，國(guó)內(nèi)在這方面的研究也在廣泛展開，但是在RDDV閥的控制方面還比較少?；赗DDV閥的特點(diǎn)，目前實(shí)際應(yīng)用的RDDV閥控制器還是主要以模擬電路搭建的為主，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，控制規(guī)律改變時(shí)更改調(diào)試?yán)щy。基于這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一種新型旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)閥控制器。控制器以TMS320F28335為核心，降低控制電路復(fù)雜程度，減小體積，提高可靠性。

1 旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)閥簡(jiǎn)介

旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)伺服閥(RDDV)是直接驅(qū)動(dòng)閥的一種，主要由滑閥級(jí)、有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)以及相應(yīng)的控制器構(gòu)成，通過電機(jī)軸端的偏心機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閥芯的直線運(yùn)動(dòng)[3]。之后，閥芯突肩與殼體通油槽形成開口，讓油量通過，因此可以通過控制閥芯的位置來控制流量的大小和方向。RDDV伺服閥內(nèi)部含有位置傳感器，這是一種線性霍爾傳感器，可以精確測(cè)量閥芯位置，并提供位置反饋信號(hào)。反饋信號(hào)與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系，如圖1所示?？刂破骼梅答佇盘?hào)進(jìn)行運(yùn)算，輸出PWM波驅(qū)動(dòng)有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。實(shí)際使用時(shí)，要給位置傳感器供+10VDC。目前RDDV伺服閥廣泛應(yīng)用于航空、航天、民用機(jī)電等行業(yè)的伺服控制。

圖1 典型RDDV閥轉(zhuǎn)角-電壓輸出特性

2 控制器方案

控制器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。LMD18200T為驅(qū)動(dòng)芯片，DSP為主控制器。RDDV上的反饋傳感器測(cè)量有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)當(dāng)前的偏轉(zhuǎn)角度。上位機(jī)輸入指令為RDDV的目標(biāo)偏轉(zhuǎn)角度(實(shí)際上對(duì)應(yīng)于液壓的開口方向和流量)。DSP獲得指令和反饋信號(hào)后進(jìn)行運(yùn)算，得到電機(jī)偏轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)速；再輸出兩路PMW波，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后送至LMD18200T的PWM輸入腳和DIR輸入腳，由此驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)；同時(shí)傳感器測(cè)量電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度并由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與指令進(jìn)行比較，重復(fù)以上過程，直到電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度滿足要求。該控制器運(yùn)用數(shù)字控制技術(shù)，具有運(yùn)算速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)框圖

3 控制器硬件設(shè)計(jì)

LMD18200T是一種由某半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的功率集成電路，專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部包括4個(gè)DMOS管構(gòu)成的H橋及其邏輯控制電路。芯片內(nèi)部的H橋驅(qū)動(dòng)器由4個(gè)DMOS管構(gòu)成，通過充電泵電路為4個(gè)DMOS管提供柵極控制電壓，允許工作頻率可通過在1、2腳和11、12腳之間接入電容來提升。引腳2和10是輸出端，接直流電機(jī)電樞的兩端。引腳3、4、5分別為方向輸入端、剎車輸入端、PWM信號(hào)輸入端，三者配合使用，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。LMD18200T的驅(qū)動(dòng)方式有兩種。第一種是單極性驅(qū)動(dòng)，PWM信號(hào)由方向信號(hào)與幅值信號(hào)組成。幅值由PWM信號(hào)的占空比決定，零脈沖時(shí)代表零電壓，方向則由方向信號(hào)的高低決定[4]。DIR腳為高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，DIR腳為低電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。使用時(shí)將方向信號(hào)接到方向輸入端，將PWM信號(hào)接到PWM輸入端。第二種是雙極性驅(qū)動(dòng)，PWM信號(hào)中既包含方向信息又包含幅值信息，占空比為50%時(shí)代表零電壓，>50%時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，<50%時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。使用時(shí)，將此信號(hào)加到方向輸入端，同時(shí)將PWM輸入端置高電平。

驅(qū)動(dòng)部分原理圖如圖3所示。PWM腳為高電平，DIR腳為控制信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)都由TMS320F28335輸出。LMD18200T的最高工作電壓為55V，結(jié)合RDDV伺服閥的工作特性，選擇輸入28V直流電壓。接入電容進(jìn)行濾波，再接入發(fā)光二極管來顯示工作狀態(tài)。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

TMS320F28335DSP是TI公司推出的32位浮點(diǎn)數(shù)字控制處理器，外設(shè)豐富，封裝多樣，在電機(jī)控制、通信、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[5]。TMS320F28335DSP整合了Flash存儲(chǔ)器、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等功能[6]，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠完成復(fù)雜的控制算法[7]?？紤]到RDDV閥的工作特性，本控制器將控制周期和采樣周期設(shè)置為100μs，產(chǎn)生的PWM信號(hào)頻率為10kHz。TMS320F28335的主頻高達(dá)150MHz，可以滿足要求。

圖4 雙極性驅(qū)動(dòng)方式的理想波形

F28335片內(nèi)集成的ADC轉(zhuǎn)換模塊的核心資源是一個(gè)12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，由16個(gè)采樣通道復(fù)用兩個(gè)采樣保持器，模擬電壓輸入范圍為0～3V。若采樣輸入電壓范圍超出，可以采用電阻分壓，也可以考慮外擴(kuò)。AD7606是一款8通道的A/D采樣芯片，通過配置相關(guān)的引腳可以選擇模擬電壓輸入范圍以及I/O的控制電平。AD7606的模擬電壓輸入范圍有兩種，分別是-5～+5V和-10V～+10V，由RANGE腳決定。VDRIVE腳是邏輯電平輸入腳，要求范圍是2.3V～5V，為配合F28335的3.3V的電平，VDRIVE腳接3.3V電壓。AD7606的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線接到F28335的總線引腳，再配置片選信號(hào)和讀寫信號(hào)，就可以完成A/D采樣[3]。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

主程序軟件流程圖見圖5。初始化之后，與上位機(jī)通訊得到指令信號(hào)，采集得反饋信號(hào)，計(jì)算得到偏差，然后根據(jù)增量式PID算法得到控制量。這里L(fēng)MD18200T采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式，在這種驅(qū)動(dòng)方式下，PWM腳接高電平，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向由DIR腳決定，所以DIR腳波形占空比的增量即為控制量。之后LMD18200T驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，位置反饋傳感器傳送新的位置反饋信號(hào)，等下一個(gè)采樣時(shí)刻到了之后DSP讀取新的反饋信號(hào)，計(jì)算新的偏差和新的控制量來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直到偏差符合要求。

圖5 軟件流程圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)軟件流程，在CCS5.5環(huán)境中編寫DSP程序，再搭建相關(guān)電路并連接RDDV進(jìn)行驗(yàn)證。圖6是指令和反饋在不同大小關(guān)系情況下用示波器測(cè)得的LMD18200T管腳波形，其中1通道是LMD18200T的PWM腳對(duì)地的波形，2通道是LMD18200T的DIR腳對(duì)地的波形，最后一通道是LMD18200T的輸出端OUT1-OUT2的波形。經(jīng)過比較可以看出，針對(duì)指令和反饋的大小關(guān)系，控制器可以輸出不同占空比的波形來驅(qū)動(dòng)RDDV閥，使閥內(nèi)的有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)能往不同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)能有效控制液壓的方向和流量。

圖6 不同工作狀態(tài)下LMD18200T管腳波形

圖7是當(dāng)指令從3V變化到6V時(shí)，反饋信號(hào)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著指令的變化，反饋能跟隨指令進(jìn)行變化。主要性能參數(shù)：上升時(shí)間為6.8ms，調(diào)節(jié)時(shí)間為18ms，超調(diào)量為36.7%，穩(wěn)態(tài)誤差在0.1V以內(nèi)。

圖7 反饋隨指令的變化曲線

6 結(jié)語(yǔ)

本文將TMS320F28335應(yīng)用到RDDV閥控制器當(dāng)中，通過獲取指令和反饋的偏差，利用PID調(diào)節(jié)輸出PWM波給驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200T，進(jìn)而控制電機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度。試驗(yàn)結(jié)果表明，LMD18200T能夠輸出理想占空比的PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，閥的位置反饋也能跟隨指令的變化而變化。試驗(yàn)過程中通過對(duì)RDDV閥液壓流量及方向的監(jiān)控結(jié)果表明，本文提出的對(duì)RDDV閥的數(shù)字化控制達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。