基于PXI的電液伺服作動器控制系統的設計與實現

摘 要：針對某工程機械中的作動器裝置，利用其液壓系統的工作原理，設計了一種基于PXI的電液伺服作動器控制系統。在介紹作動器液壓回路工作原理的基礎上，簡述了控制系統的設計方案及其組成。該設計解決了該作動器開環控制誤差大的問題，具有控制精度高，靈敏度高，結構緊湊，可復用性高等優點。

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關鍵詞：電液伺服閥； 伺服系統； 作動器； PXI； LabVIEW

中圖分類號：TN911.7-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0205-03

Design and implementation of EHSV actuator control system based on PXI

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HU Zhi-xin1， NIU Xiao-bo1， ZHAO Jian-chun2

(1.Chang’an University， Xi’an 710064， China; 2.Equipment Management Department， Qinghai Oil Field Company， Dunhuang 736202， China)

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Abstract：

An electro-hydraulic servo actuator control system based on PXI was designed for the actuator device of one construction machinery by using hydraulic system working principle. On the basis of introducing the principle of the actuator hydraulic circuit， the design of the control system and its component are outlined. This design has solved the problem of large errors in the actuator open-loop control， and has advantages of high control accuracy， high sensitivity， compact structure and reusability.

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Keywords： EHSV; servo system; actuator; PXI; LabVIEW

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收稿日期：2011-09-29

0 引 言

作動器是一種以液壓油為動力源的擺動機構，在飛行器的升降翼、方向舵、水平襟翼以及坦克、船舶、火車等多種需要擺動機構的場合得到了廣泛的應用。本文的電液伺服作動器是某工程項目中驅動機械裝置動作的傳動設備，該作動器的主要作用是利用作動筒的動作驅動相應裝置產生動作，從而實現對該機械裝置運動軌跡的控制。因此作動器的動作性能指標直接影響到該工程機械裝置的工作安全。

然而，目前大多文獻及研究是以單片機或DSP為控制單元實現對電液伺服作動器的閉環控制，其控制策略復雜，復用性差等缺點使其在工程應用中越來越不能適應實際工況的要求。近幾年，隨著虛擬儀器測試平臺的快速發展，越來越多的工業控制開始利用該平臺進行相關技術的研究與開發。虛擬儀器測試平臺強大的控制、處理能力及標準化、模塊化等優點使其成為當今控制領域的主流控制工具。

本文根據電液伺服作動器的工作原理，結合作動器伺服機構開環的工作特性，提出一種基于虛擬儀器測試平臺PXI架構的電液伺服作動器的控制系統，該系統用于完成對該類作動器伺服機構的閉環控制，實現作動筒及主控閥上位移傳感器所測量的參數可調可顯示，并且為作動器提供二次電源，達到高安全性的控制要求。系統通過作動筒上位移傳感器反饋的參數與操作界面上輸入參數進行比較，產生誤差信號控制伺服閥的開度，使作動筒達到設定位置，實現機械裝置特定位置的動作，完成控制要求。

1 電液伺服作動器控制系統的組成及工作原理

控制系統基本結構由人機交互界面、控制級和伺服放大級組成，如圖1所示。人機交互界面主要是對作動器工作參數進行設置與顯示;控制級為控制系統的核心部分，主要完成對作動器伺服機構的閉環控制;伺服放大級包括傳感器激勵、信號解調、電源輸入及電磁閥驅動等部分。

圖1 控制系統基本結構框圖

為了更好地說明控制系統的工作機理，下面對作動器伺服機構的工作原理給予簡單介紹。如圖2所示，在正常工作情況下，伺服機構的液壓源正常，電磁閥SOV有電，電液伺服閥EHSV得電，它是通過電流信號控制主控閥的閥芯滑動，進而控制進入作動筒內的油量，使作動筒的活塞桿產生相對位移，從而實現機械裝置的動作。當SOV失電或液壓源出現故障時，相應旁通閥動作，將此油路對應的作動筒兩腔溝通處于旁通狀態。功能轉換閥的閥芯由于SOV失電而產生動作，觸碰微動開關，使其產生動作，該動作經由相關電路調整為電信號，在操作界面上顯示。

圖2 作動器工作原理圖

由此可見，機械裝置動作是由作動筒的動作驅動，而作動筒的動作是靠液壓油所產生的壓力推動作動筒的活塞實現。若要控制作動筒的活塞運動就必須控制液壓油。在伺服機構工作原理敘述中可以看到，整個作動器的液壓油主要靠電液伺服閥來控制。

電液伺服閥是用于連接系統的電氣與液壓部分，將輸入的小功率電信號轉變為閥的運動，而閥的運動又可以控制液壓油流向液壓執行機構的流量與壓力，實現電液信號的轉換和放大，以及對液壓執行機構的控制[1]。電液伺服閥的工作機理為輸入量是電流，輸出量則是和輸入量成正比的負載壓力或負載流量。

因此，可以通過控制電液伺服閥的輸入電流來實現對液壓油壓力及流量的控制，從而使作動筒產生相應位移，即完成對機械裝置動作的控制。簡單來說，控制系統主要依靠作動筒位移傳感器輸出參數與輸入參數之間的差值實現對作動筒位移的控制，最終達到機械裝置的動作要求，在功能上實現作動器的閉環控制，系統控制原理圖如圖3所示。

2 控制系統的硬件設計

由于該工程項目中的控制系統要求具有優越的性能及廣泛的適用范圍，因此，根據伺服機構的工作條件及工作原理，依據結構簡單、操作方便、自動處理能力強的原則，利用NI公司的PXI測試平臺和LabVIEW圖形化編程環境設計了一個面向控制對象的實時數據采集與控制系統。本控制系統由上位機、下位機和測控單元組成，其中上位機是基于LabVIEW平臺的工業控制計算機，下位機是基于PXI的測試平臺，主要由PXI實時系統與PXI模塊單元共同構成。其系統硬件框圖如圖4所示。

圖3 系統控制原理圖

圖4 控制系統硬件框圖

基于LabVIEW平臺的工控機用來顯示人機交互界面，界面上設置有操作面板，且前置有USB、開關和指示燈等配置，操作方便。該系統主要是基于PXI架構的，因此上位機采用虛擬儀器開發軟件LabVIEW，以使上位機與下位機具有良好的系統兼容性。

根據系統的工作特點及技術要求，需研制體積小、結構緊湊、耐久性強等特點的控制系統。基于PXI平臺的硬件部分具有產品尺寸小、架構穩固等特性，并且可以提供滿足潛在需求的大量模塊，具有模塊化特征，易于重新配置，可升級性好，提供了較好的抗沖擊、抗震動、防高溫等方面的保護及使用壽命長等優點。因此，將PXI系統及LabVIEW應用在安全性要求高的工程裝置上，簡化了控制系統，降低了系統成本。利用其模塊化特性，提高了系統的開發效率，增強了系統的可擴展性，是控制該機械系統的新手段[2]。

圖4中所示的為PXI硬件的主機箱體，相當于個人計算機的主機箱，本系統的主機配置為基于PXI架構的實時系統，該主機運行于工業控制計算機并通過操作界面進行系統配置，執行控制工作，并管理報警與警告信息，運行于主機的實時系統為主機的核心部分，用以實現高速數據采集和輸出的PID閉環控制，并對采集數據進行快速存儲，系統提供大的存儲容量且可以隨時進行數據的調用及分析，從而滿足了性能需求[3]。

本設計采用PXI硬件支持功能模塊的嵌入，設計中可將PXI單元嵌入基于PXI系統的主機箱中，達到作動器控制系統的結構要求，由于PXI的實時系統可以實現所采集數據的實時處理和高級分析，因此工作性能較其他以PC單元實現的控制系統更為優越。

PXI單元包含有四個模塊：模擬輸入AI，模擬輸出AO，數字輸入DI，數字輸出DO。由于伺服系統分為兩個液壓通道，因此將AI配置為雙通道，用來接收測控單元采集到的位移傳感器信號，并由PXI系統進行分析處理，最后將信號傳送給工控機用以在面板上顯示。同樣地，AO也采用兩個通道，將界面上由人工設置的參數信號通過AO輸出，經由測控單元相應硬件調理，輸入給伺服機構一個控制電液伺服閥開度的電流信號，通過流經伺服閥的流量來控制作動筒活塞的位移，完成輸入參數所指定的位置要求。

DI數字輸入/DO數字輸出模塊是伺服機構中開關閥、微動開關、報警器等其他狀態信息的輸入/輸出通道，其傳輸的信號都為開關量。DI為數字輸入，用于微動開關的狀態傳輸。微動開關動作由相關電路調理后，產生的電信號由DI傳送給PXI的實時系統，最終由界面顯示。DO為數字輸出，用于開關閥的狀態信息傳輸。

本系統的測控單元采用自行設計的電路板形式實現對伺服機構中信號的采集、調整、輸出等功能。該單元是連接下位機和伺服機構的中介模塊。它接收伺服機構中位移傳感器及其他設備的信號，經過相應的電壓/電流轉換及調理后，將信號輸入PXI的實時操作系統處理分析，最后傳送給工控機用以顯示。同時，測控單元也可接收由PXI單元通過工控機輸入的控制信號，經過相應信號的轉換及調理，對伺服機構的各種狀態進行控制。

為了使控制系統能夠更好地工作，具備優越的工作性能，在設計本控制系統時考慮到該裝置在應用中的重要性，特別在測控單元配備有伺服機構所需的二次電源，由測控單元里的驅動器提供，主要用來驅動機構中電液伺服作動器的電磁開關。另外，測控單元為伺服機構中的位移傳感器提供激磁電源，由單元中的激勵器提供。測控單元中的調理器是對位移信號及其他狀態信號進行調理以使信號能夠更加準確無擾動誤差地進行傳輸。

3 控制系統的軟件設計

系統的軟件設計采用虛擬儀器開發軟件LabVIEW，運用圖形化G語言作為編程形式。G語言是一種面向對象的模塊化編程語言，可以顯著提高程序的復用性。由于該控制系統應用的工程裝置的工況特殊，所以要求系統處理速度快，實時性好，具有良好的人機界面。

本系統軟件設計分為輸出人機交互界面與控制程序兩部分，都是在LabVIEW圖形化集成開發環境下開發的， 將編寫之后的程序代碼下載到PXI實時操作系統中，有效地縮短了軟件的開發時間，同時提高了系統的開發效率。

實際工作狀態下，下位機與測控單元之間進行直接的信號傳輸，同時把相關數據傳送到上位機，實現測控參數的顯示及控制。系統軟件所實現的功能在操作面板上有相應的設置，操作面板如圖5所示。由于伺服機構工作狀態分為正常模態和失壓模態，因此在面板上設置有模態選擇控件，使系統可在兩種模態下進行切換。

根據系統結構原理，系統分為通道1和通道2，因此在界面上設置兩個通道，每個通道都可對主控閥和作動筒上位移傳感器所采集的位移信號進行顯示或調節。設置開關閥控件，可隨時對伺服系統進行開關操作，方便快捷，并且在各個通道上有兩個狀態顯示燈，若工作正常則狀態燈亮，若出現故障，此時液壓系統中的微動開關動作，經DI輸入使面板上的故障燈亮，實時地顯示系統工作狀態，安全性高。

在控制過程中，該系統可實現對輸入參數的PID控制，根據已存的測試數據生成PID優化參數，以使系統在參數調節時更加穩定，控制面板右方顯示PID調節過程波形圖，可實時顯示系統PID控制過程，使系統性能更加全面優越。

圖5 系統控制界面

4 結 語

本控制系統采用LabVIEW平臺及PXI測試平臺對機械系統的作動器進行監測與控制，解決了作動器伺服機構開環控制精度低，安全性差等問題。在LabVIEW集成環境下開發了系統軟件部分，可以實現靈活而持久的操作，用于確定性實時測量和控制，并且提出了基于PXI控制電液伺服作動器的新方法，具有操作簡單、結構緊湊、程序復用性高以及系統通用性強等優點。

參 考 文 獻

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