采用LVDT 位移傳感器的高溫閥位置伺服系統(tǒng)設(shè)計

張立娟，程 相，左哲清，陳祖希

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

0 引言

由于常溫的燃油控制閥在高溫環(huán)境下無法正常工作，因此調(diào)節(jié)燃油氣體流量的高溫燃油控制閥需求迫切，難度較大，高溫閥的設(shè)計尤為重要［1-4］。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，高溫閥系統(tǒng)控制核心，高溫閥位置伺服系統(tǒng)，其控制精度，分辨率等指標(biāo)均為難點(diǎn)，因此，本文提出一種基于LVDT 位移傳感器的三級伺服閥位置伺服控制驅(qū)動器，通過精確調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的燃油氣體的質(zhì)量流量，保障高溫閥系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

1 伺服系統(tǒng)總體方案

高溫閥位置伺服系統(tǒng)由前置級偏心撥桿閥、控制驅(qū)動器、LVDT 閥芯位移傳感器、主功率級滑閥組成。系統(tǒng)控制原理及流程如圖1 所示。

圖1 高溫閥控制原理及流程框圖

控制器驅(qū)動器將控制信號與位移反饋信號的比較結(jié)果經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為前置級偏心撥桿閥中的力矩電機(jī)需要的電流信號。其中前置級偏心撥桿閥由帶有偏心撥桿的直流力矩電機(jī)、小流量滑閥、位置傳感器組成［5-6］。前置級偏心撥桿閥控制腔輸出流量進(jìn)而推動主功率滑閥閥芯移動。閥芯位移通過LVDT 位移傳感器實(shí)時反饋閥芯的位移，進(jìn)而通過位移閉環(huán)精確控制輸出流量的大小，其中閥芯位移精確跟蹤給定信號。

2 LVDT 閥芯位移采集電路

LVDT 位移傳感器安裝在錐閥閥芯的尾部，由于高溫閥錐閥處的燃油蒸氣溫度高達(dá)1 000 K，高溫燃油蒸氣在經(jīng)過錐閥節(jié)流口的過程中，通過閥芯和殼體傳導(dǎo)大量的熱量，因此選用的位移傳感器具有耐高溫、耐高油壓的特點(diǎn)。選用美國TE 公司的MHR-V100 型號的LVDT 位移傳感器作為高溫閥的位移傳感器，該型號的LVDT 位移傳感器的特點(diǎn)是耐高溫、高壓，其中耐油壓1 000 PSI，最高使用溫度為200 ℃，測量行程0～5 mm，線性度為0.25%。

在位置伺服控制系統(tǒng)中，LVDT 用于作動器直線機(jī)械行程的實(shí)時反饋，伺服控制器通過將其反饋的位置信號與主控單元的指令進(jìn)行比較來調(diào)整輸出位置信號，以實(shí)現(xiàn)對閥芯直線位移的快速控制［7-8］。

經(jīng)工裝測試不同激勵頻率下的線性度，最終設(shè)計選用頻率為2.5 kHz，3 Vpp 激勵頻率。調(diào)制解調(diào)電路如圖2 所示。

圖2 AD698 調(diào)制解調(diào)電路圖

AD698 內(nèi)部包含一個低失真的正弦波振蕩器，以驅(qū)動LVDT 的初級線圈。LVDT 的次級輸出包括2 個正弦波信號，隨之再提供給AD698 作為輸入信號。經(jīng)過處理電路將2 個輸入電壓相除(VA/VB)，從而產(chǎn)生一個成比例的單級或雙極的直流電壓輸出。C1的取值決定激勵信號的頻率，R2決定滿幅輸出電壓，R1決定激勵信號的幅值。

式中IREF=500 μA，推薦使用頻率fEXC=2.5 kHz，與激勵源相匹配的電容:

C2、C3、C4可以調(diào)整AD698 調(diào)理電路截止頻率，因此:

電阻R2決定AD698 調(diào)理信號(輸出電壓)的范圍，其中LVDT 靈敏度為S，滿量程位移d，因此:

LVDT 激勵信號振幅選定3 V，因此，

以傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)為樣本，用曲線擬合法求出非線性校正環(huán)節(jié)的特性曲線，并給出在Matlab環(huán)境下擬合多項式系數(shù)的最小二乘求解方法［9］，編程實(shí)現(xiàn)位移量和電壓輸出。擬合結(jié)果如下:

3 系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)液壓兩級放大式高溫閥的工作原理建立了高溫閥控制系統(tǒng)Simulink 三級仿真模型［10-11］，如圖3 所示，高溫閥控制驅(qū)動器給電機(jī)輸入指令信號，使數(shù)字閥電機(jī)的電機(jī)軸轉(zhuǎn)動一定角度，與電機(jī)軸配合的偏心撥桿帶動數(shù)字閥閥芯產(chǎn)生一定位移，從而改變數(shù)字閥的流量，前置級偏心撥桿閥數(shù)字閥流量的變化進(jìn)一步引起錐閥閥芯兩腔的壓差變化，驅(qū)動錐閥閥芯產(chǎn)生相應(yīng)位移，通過位移傳感器直接測量錐閥閥芯的位移實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。錐閥閥芯的開啟關(guān)閉改變了錐閥與殼體的節(jié)流間隙，輸出氣體的質(zhì)量流量。高溫閥階躍響應(yīng)曲線如圖4 所示，表1 為部分模型參數(shù)。

表1 Simulink 模型部分參數(shù)

圖3 Simulink 三級系統(tǒng)仿真模型示意圖

圖4 高溫閥階躍響應(yīng)曲線

3 控制策略

3.1 電流環(huán)性能技術(shù)研究

1)電流畸變現(xiàn)象分析

根據(jù)前置級偏心撥桿閥的原理，伺服電機(jī)的負(fù)載力矩主要包括:滑閥軸向液動力產(chǎn)生的力矩、閥芯軸向加速度產(chǎn)生的力矩及閥芯閥套摩擦力或卡滯力產(chǎn)生的力矩。

滑閥液動力與軸向位移基本成正比，因此由液動力產(chǎn)生的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:

閥芯直徑為6.4 mm，參照已有的直徑為6.4 mm 的伺服閥閥芯，閥芯質(zhì)量約為0.007 kg。閥芯軸向加速度是隨著電機(jī)的角加速度變化的，由于加速度產(chǎn)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:

考慮閥芯、閥套之間的摩擦力或卡滯力，則由此產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩約為:

總負(fù)載轉(zhuǎn)矩:

因此在電機(jī)運(yùn)行過程中，給定信號通常為正弦波位置信號，因此該位置伺服系統(tǒng)屬于變轉(zhuǎn)速變負(fù)載控制系統(tǒng)。如圖5 所示，在給定20 Hz 的正弦波位置信號處，可以看出，電機(jī)在有限角度內(nèi)擺動時，每次在電機(jī)換向后，位置跟蹤誤差變大，出現(xiàn)了相位滯后的現(xiàn)象，同時，電流采樣在電機(jī)零位時出現(xiàn)了畸變突起。

圖5 畸變電流曲線

2)反電勢補(bǔ)償策略

電機(jī)在零位的轉(zhuǎn)速變化最大，速度的波動引起了反電勢變化，因此對電流環(huán)產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致加速度精確度下降;為解決電流畸變問題，采用反電勢補(bǔ)償策略，如圖6 所示。

圖6 反電勢補(bǔ)償控制策略原理框圖

對于伺服系統(tǒng)，為提前抵消有限轉(zhuǎn)角電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生反電勢所需的電壓控制量，提前給出電機(jī)運(yùn)行所需要的大部分電壓控制量，減少了后級閉環(huán)所需要的電機(jī)控制量，在很大程度上提高了電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)能力［13-16］。

由于系統(tǒng)存在逆變器等效慣性環(huán)節(jié)和數(shù)字控制采樣滯后等時滯環(huán)節(jié)，會影響補(bǔ)償?shù)男Ч?，因此補(bǔ)償結(jié)果并不理想，但是與之前沒有任何補(bǔ)償時相比，電流響應(yīng)還是有明顯的改善。

3.2 前置級偏心撥桿閥位置環(huán)動態(tài)性技術(shù)研究

1)位置環(huán)高頻正弦跟蹤時幅值超調(diào)、相位滯后、換向突變問題分析

由于前置級偏心撥桿閥位置伺服系統(tǒng)位置跟蹤性能十分關(guān)鍵，但機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)會同時為系統(tǒng)引入時間延遲，加上系統(tǒng)不可避免地存在著一些擾動，使得位置隨動系統(tǒng)的響應(yīng)不能很好地跟隨輸入指令，隨著給定信號頻率增大，系統(tǒng)幅值超調(diào)和相位滯后問題越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致系統(tǒng)帶寬降低。為減小相位滯后，使用傳統(tǒng)的PID 控制策略，加大比例系數(shù)和微分系數(shù)，當(dāng)給定50 Hz 的正弦波信號時，如圖7 所示，出現(xiàn)了較大的位置跟蹤誤差，嚴(yán)重降低了位置跟蹤的精度，并且電機(jī)每次在換向位置出現(xiàn)跟蹤突變現(xiàn)象。

圖7 位置幅值超調(diào)及跟蹤突變情況

2)前饋控制策略

由于在傳統(tǒng)閉環(huán)PID 反饋控制中，被控對象在控制器的給定和反饋出現(xiàn)偏差以后，才能對被控對象產(chǎn)生作用。前饋控制可以提前根據(jù)系統(tǒng)控制器的偏差變化趨勢對實(shí)際的響應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的控制偏差，與反饋控制相互配合，實(shí)現(xiàn)既能保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度又能加快動態(tài)響應(yīng)速度的控制效果。并且通過對前饋環(huán)節(jié)的不同設(shè)計，可以達(dá)到不同的控制效果，使系統(tǒng)能夠滿足工作需求［12］。

因此，為改善位置環(huán)高頻正弦跟蹤時相位滯后問題，采用加入一階和二階導(dǎo)數(shù)的前饋控制量，獲得了滿意的控制效果。一階導(dǎo)數(shù)的前饋控制量能夠補(bǔ)償控制系統(tǒng)的速度誤差，二階導(dǎo)數(shù)的前饋控制量能夠補(bǔ)償控制系統(tǒng)的加速度誤差，滿足系統(tǒng)對速度與加速度的要求，減小控制系統(tǒng)的位置和速度跟蹤誤差。原理框圖如圖8 所示。

圖8 前饋補(bǔ)償控制策略原理框圖

采用位置環(huán)前饋補(bǔ)償控制策略后，實(shí)際角度位置跟蹤滯后給定角度位置23°，對比之前的相位滯后65°，可見采用位置前饋控制的位置環(huán)，可保證伺服系統(tǒng)快速響應(yīng)，大大提高了位置環(huán)的帶寬，同時也減少了位置跟蹤突變，保證了系統(tǒng)定位的高精度、無超調(diào)，使系統(tǒng)獲得理想的位置控制性能。

3.3 零位修正技術(shù)研究

1)位置環(huán)低頻正弦跟蹤波動問題

在電機(jī)低頻正弦波跟蹤過程中，電流采樣曲線本應(yīng)很平穩(wěn)，但卻出現(xiàn)了如圖9 所示的電流微小波動問題，并在前置級偏心撥桿閥位置跟蹤曲線中出現(xiàn)了微小誤差，大大影響了高溫閥控制的分辨率。

圖9 低頻電流波動曲線

2)AD 零位校正策略

為解決低頻電流波動問題，對電流采樣進(jìn)行反復(fù)測試，電流AD 采樣零位漂移及采樣頻率低。采用軟件AD 零位校正的方式解決電流波動問題［17-18］。

3.4 控制效果

本章采用反電勢補(bǔ)償、前饋補(bǔ)償、AD 零位校正策略后，電機(jī)位置跟蹤曲線和電流曲線如圖10所示。

圖10 控制策略校正后電機(jī)位置跟蹤曲線(黑色)和電流曲線(藍(lán)色)

4 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)試驗(yàn)要求建立了高溫閥的靜態(tài)測試系統(tǒng)，如圖11 所示，其中包含控制驅(qū)動器、直流電源、控制能源、高溫閥、測試臺、操控臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

圖11 高溫閥動靜態(tài)測試系統(tǒng)裝置圖

高溫閥位置伺服系統(tǒng)控制驅(qū)動器樣機(jī)如圖12所示，對控制系統(tǒng)輸入低電平0.3 V，高電平1.5 V(對應(yīng)閥芯行程位移)，占空比50%，頻率為0.2 Hz 的方波控制信號，其位移跟蹤曲線如圖13 所示，采用以上控制技術(shù)研究后，跟蹤狀態(tài)良好。

圖12 高溫閥控制驅(qū)動器樣機(jī)實(shí)物圖

圖13 高溫閥方波位移跟蹤曲線

對控制系統(tǒng)輸入低電平為0.26 V，高電平為2.85 V(對應(yīng)高溫閥的錐閥閥芯全行程位移)的正弦信號，在試驗(yàn)溫度達(dá)到727 ℃(1 000 K)后，記錄高溫閥的位移回環(huán)曲線，根據(jù)高溫閥試驗(yàn)中得到的位移回環(huán)曲線判斷高溫閥工作時是否發(fā)生卡滯。圖14 為正弦位移跟蹤曲線。

圖14 高溫閥正弦位移跟蹤曲線

圖15 為該模擬環(huán)境下閥芯的位移回環(huán)曲線。閥芯位移回環(huán)曲線的對稱度、滯環(huán)等指標(biāo)均良好，高溫閥空載下的靜態(tài)性能優(yōu)異，效果較好。

圖15 727 ℃-0.5 L/min 高溫閥位移回環(huán)曲線

5 結(jié)論

設(shè)計了高溫閥位置伺服系統(tǒng)控制器，通過控制前置級偏心撥桿閥，實(shí)現(xiàn)對高溫閥的位置控制。通過系統(tǒng)試驗(yàn)證實(shí)，該伺服控制器動態(tài)高、分辨率高，能夠?qū)崟r跟蹤給定位置，實(shí)現(xiàn)對高溫閥流量輸出的精確控制。