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)

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)

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構實現閥芯的角位移轉化成閥芯的軸向位移，閥芯的旋轉運動由一步進電機來驅動，閥腔內產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制技術為基礎，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.結合給出的系統流程圖，搭建實驗平臺并對該控制器性能進行測試.實驗結果表明該控制器具有良好的性能。

關鍵詞：TMS320F2812；1 000 L/min 2D伺服閥；空間電壓矢量調制

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，我國工業現代化尤其是電液伺服技術正迅速發展，尤其在高精度、重載的系統中.加之現代計算機技術的快速發展，使得電液伺服技術的發展空間得到了進一步的擴大，尤其是在航空航天領域.電液伺服系統中，伺服閥的控制精度直接影響整個系統的精度，所以伺服閥的控制可以說是整個液壓系統控制的核心.采用2D閥的結構方案，2D閥具有結構簡單、抗污染能力強的優點.為使該2D閥達到設計要求，采用空間電壓矢量調制技術并在此基礎上引入位置閉環和電流閉環控制.采用數字信號處理器TMS320S2812作為控制器并運用連續跟蹤算法[1]通過控制電-機械轉換器可以實現對閥芯的精確控制，理論分析與實驗結果表明，該控制器具有良好的性能。

12D伺服閥的工作原理

2D伺服閥的結構如圖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完成水平和旋轉兩種運動.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，在靜態時若不考慮摩擦力及閥口液動力的影響，左腔壓力為系統壓力P的一半，在穩態液動力的影響下，閥芯軸向保持靜壓平衡，與螺旋槽(閥體上)相交的高低壓側的弓形面積相等.當以逆時針的方向轉動閥芯，則高壓側的相交面積增大、低壓側的相交面積減小，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，處于高低壓側相交面積相等的位置，左腔的壓力恢復為系統壓力的一半，從而保持平衡；若順時針的方向轉動閥芯，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伺服閥結構原理Fig.1　The principle structure of 2D servo valve

2SVPWM調制算法

SVPWM以平均值等效原理為理論基礎，在一個開關周期內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，電壓矢量旋轉到某個區域中，可由組成這個區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狀態所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態，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個開關管，為了研究各相上下橋臂不同開關組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，定義開關函數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的開關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，最終獲得圓形旋轉磁通實現SVPWM調制。

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

3實現方案

圖4　基于TMS320F2812的三相步進電機的控制系統框圖Fig.4　The control system block diagramof three-phase stepper motor based on TMS320F2812

基于TMS320F2812的三相步進電機的控制系統框圖，如圖4所示.給定電機轉子位置信號并由位置信號產生兩路相位相差120°的電流信號，電流信號經過CLARKE和PARK變換后，與電機的采樣電流經過變換后的數值進行PID調節，實現對電機的磁場和轉矩的實時控制.同時給定的位置信號，與電機后面的角位移傳感器反饋回來的位置信號進行位置閉環.由于本系統中同時引入了位置和電流閉環，所以可以高效率，高精確度的控制電機。

4系統總體設計

4.1系統硬件組成

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，PWM功率輸出電路和電流檢測模塊等組成.該控制器設計3路PWM功率放大電路分別控制步進電機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，對步進電機線圈兩段電壓進行調制，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，驅動電路采用IR2110S來驅動MOSFEI[4]。

4.2.2電流采樣電路

電流閉環控制有利于提高放大器增益的穩定性，減少放大器的失真等.由于三相電機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相電流進行采樣，經過隔離運放HCPL7800，和LF412放大并經OP07偏置后接入2812的A/D引腳，實現電流閉環。

4.3軟件設計

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，包括：

1) 設置系統時鐘，CPU時鐘為30M鎖相環使能，關閉看門狗，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) 設置事件管理器模塊，初始化定時器，設置比較模式，6相PWM輸出。

3) A/D采樣初始化，選擇采樣通道，對ADFIFO清零。

系統開始時先對系統模塊、中斷模塊、A/D模塊以及事件管理器模塊進行初始化設置，然后讀取由信號發生器發出的角位置控制信號，經過DSP內部處理將控制信號首先轉換為3路互差120°的電流信號，經過PARK和CLARKE變換后與實際信號經PID運算后得到Uα和Uβ并判斷位置信號所處扇區，在扇區內計算各向量所作用的時間，將時間的值賦給系統比較寄存器，進而控制產生PWM波，對位置信號進行調節。

5實驗結果分析

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

圖9　實驗系統圖Fig.9　The diagram of ware of the experimental system

信號發生器輸出的波形信號與步進電機轉子位置信號經數字閥控制器驅動步進電機輸出小幅度的角位移，從而驅動閥芯旋轉，再通過伺服螺旋結構轉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曲線[7-8]。

根據以上分析制作出控制器，并對電-機械轉換器進行實驗驗證.本實驗采用的電-機械轉換器為富春電機有限公司生產的FL573P79-5801A型三相步進電機.此電機的相電阻為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，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特性.根據不同頻率正弦信號下頻率響應可以得到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°，對應衰減-3 dB。

6結論

采用基于DSP2812的空間電壓矢量調制技術，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.電流和位置雙閉環系統增加了系統的控制精度，實現了對三相混合式步進電機的精確控制從而進一步實現了對2D伺服閥的控制.實驗結果表明：該2D閥在100 Hz時，相位滯后約90°，-3 dB對應的頻寬約為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：

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

(責任編輯：陳石平)

中圖分類號：TH137

文獻標志碼：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：國家自然科學基金資助項目(51375445)；浙江省自然科學基金資助項目(LZ13E050002)；浙江省重點科技創新團隊(2011R50011)

收稿日期：2014-09-16