基于TMS320F28335的RDDV閥控制器設計

阮崢，毛良，魏浪

(航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室 航空工業(yè)南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著電子技術的進步，伺服閥的研究和應用得到了迅猛的發(fā)展。電液伺服閥是較早出現(xiàn)的一種伺服閥，它能在接受電信號后輸出調制的流量和壓力，但由于其抗污染能力差，在應用時受到很大限制。為解決這種問題，國內外廠家推出直接驅動閥(DDV)[1-2]。直接驅動閥利用直線位移力馬達直接驅動閥芯，具有質量輕、體積小、費用低、內漏小、可靠性高等優(yōu)點。旋轉直接驅動閥(RDDV)是直接驅動閥的一種，出現(xiàn)在20世紀90年代。國外將電子控制器運用到旋轉直接驅動閥中，使這類伺服閥數(shù)字化應用更加廣泛。

近些年，國內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。基于RDDV閥的特點，目前實際應用的RDDV閥控制器還是主要以模擬電路搭建的為主，結構復雜，可靠性低，控制規(guī)律改變時更改調試困難。基于這種現(xiàn)狀，本文設計一種新型旋轉直接驅動閥控制器。控制器以TMS320F28335為核心，降低控制電路復雜程度，減小體積，提高可靠性。

1 旋轉直接驅動閥簡介

旋轉直接驅動伺服閥(RDDV)是直接驅動閥的一種，主要由滑閥級、有限轉角力矩電機以及相應的控制器構成，通過電機軸端的偏心機構將電機的旋轉運動轉化為閥芯的直線運動[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伺服閥內部含有位置傳感器，這是一種線性霍爾傳感器，可以精確測量閥芯位置，并提供位置反饋信號。反饋信號與電機旋轉角度成線性關系，如圖1所示。控制器利用反饋信號進行運算，輸出PWM波驅動有限轉角力矩電機，就可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。實際使用時，要給位置傳感器供+10VDC。目前RDDV伺服閥廣泛應用于航空、航天、民用機電等行業(yè)的伺服控制。

圖1 典型RDDV閥轉角-電壓輸出特性

2 控制器方案

控制器整體結構如圖2所示。LMD18200T為驅動芯片，DSP為主控制器。RDDV上的反饋傳感器測量有限轉角力矩電機當前的偏轉角度。上位機輸入指令為RDDV的目標偏轉角度(實際上對應于液壓的開口方向和流量)。DSP獲得指令和反饋信號后進行運算，得到電機偏轉的方向和轉速；再輸出兩路PMW波，經(jīng)電平轉換芯片轉換后送至LMD18200T的PWM輸入腳和DIR輸入腳，由此驅動電機旋轉，進而帶動閥芯運動；同時傳感器測量電機偏轉角度并由A/D轉換為數(shù)字信號，與指令進行比較，重復以上過程，直到電機的偏轉角度滿足要求。該控制器運用數(shù)字控制技術，具有運算速度快、結構簡單、可靠性高的特點。

圖2 控制器結構框圖

3 控制器硬件設計

LMD18200T是一種由某半導體公司生產的功率集成電路，專用于直流電動機驅動，內部包括4個DMOS管構成的H橋及其邏輯控制電路。芯片內部的H橋驅動器由4個DMOS管構成，通過充電泵電路為4個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信號輸入端，三者配合使用，控制電機的轉向和轉速。LMD18200T的驅動方式有兩種。第一種是單極性驅動，PWM信號由方向信號與幅值信號組成。幅值由PWM信號的占空比決定，零脈沖時代表零電壓，方向則由方向信號的高低決定[4]。DIR腳為高電平時電機正轉，DIR腳為低電平時電機反轉。使用時將方向信號接到方向輸入端，將PWM信號接到PWM輸入端。第二種是雙極性驅動，PWM信號中既包含方向信息又包含幅值信息，占空比為50%時代表零電壓，>50%時電機正轉，<50%時電機反轉。使用時，將此信號加到方向輸入端，同時將PWM輸入端置高電平。

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

圖3 驅動電路原理圖

TMS320F28335DSP是TI公司推出的32位浮點數(shù)字控制處理器，外設豐富，封裝多樣，在電機控制、通信、醫(yī)療、航空航天等領域有廣泛的應用[5]。TMS320F28335DSP整合了Flash存儲器、快速的A/D轉換器、增強的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]，具有強大的控制和信號處理能力，能夠完成復雜的控制算法[7]。考慮到RDDV閥的工作特性，本控制器將控制周期和采樣周期設置為100μs，產生的PWM信號頻率為10kHz。TMS320F28335的主頻高達150MHz，可以滿足要求。

圖4 雙極性驅動方式的理想波形

F28335片內集成的ADC轉換模塊的核心資源是一個12位的模/數(shù)轉換器，由16個采樣通道復用兩個采樣保持器，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。AD7606是一款8通道的A/D采樣芯片，通過配置相關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的轉換結果通過數(shù)據(jù)總線接到F28335的總線引腳，再配置片選信號和讀寫信號，就可以完成A/D采樣[3]。

4 控制器軟件設計

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

圖5 軟件流程圖

5 試驗驗證

根據(jù)軟件流程，在CCS5.5環(huán)境中編寫DSP程序，再搭建相關電路并連接RDDV進行驗證。圖6是指令和反饋在不同大小關系情況下用示波器測得的LMD18200T管腳波形，其中1通道是LMD18200T的PWM腳對地的波形，2通道是LMD18200T的DIR腳對地的波形，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，針對指令和反饋的大小關系，控制器可以輸出不同占空比的波形來驅動RDDV閥，使閥內的有限轉角力矩電機能往不同的方向轉動，同時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是當指令從3V變化到6V時，反饋信號的變化曲線。從圖中可以看出，隨著指令的變化，反饋能跟隨指令進行變化。主要性能參數(shù)：上升時間為6.8ms，調節(jié)時間為18ms，超調量為36.7%，穩(wěn)態(tài)誤差在0.1V以內。

圖7 反饋隨指令的變化曲線

6 結語

本文將TMS320F28335應用到RDDV閥控制器當中，通過獲取指令和反饋的偏差，利用PID調節(jié)輸出PWM波給驅動芯片LMD18200T，進而控制電機的偏轉角度。試驗結果表明，LMD18200T能夠輸出理想占空比的PWM波驅動電機，閥的位置反饋也能跟隨指令的變化而變化。試驗過程中通過對RDDV閥液壓流量及方向的監(jiān)控結果表明，本文提出的對RDDV閥的數(shù)字化控制達到了設計的目標。