一種偏心撥桿數字閥用位置伺服控制驅動器的設計

張立娟，朱家廳，孟淑平，鄭 愨，左哲清

(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

引言

在航空航天領域，小型化、高精度、高動態的數字伺服閥需求量越來越大，由于直接驅動式伺服閥具有結構簡單、響應快、可靠性高、抗污染能力強等優點[1-3]，已經成為近年來研究的熱點。而且直流無刷力矩電機具有體積小、重量輕、可靠性高、頻帶寬的特點，已經被廣泛應用于航空伺服閥、機器人關節、激光掃描系統等領域中[4-6]。因此，本研究介紹了一種有限轉角力矩電機，并將其作為偏心撥桿數字伺服閥的執行器[7-8]，設計了一種以STM32F103為控制核心的伺服控制驅動器，并采用智能驅動模塊及模擬霍爾位置傳感器等構成位置伺服系統。試驗結果證明，該系統體積小、頻帶寬、響應快，具有廣泛的應用前景[9]。

1 伺服系統總體方案

偏心撥桿閥位置伺服系統由有限轉角電機、以STM32為主控單元的控制驅動器、LMD18200驅動模塊、偏心撥桿數字伺服閥及位置傳感器等組成。系統組成及方案原理如圖1所示，虛線框圖內為位置伺服系統，STM32主控單元對給定跟蹤軌跡和電機實際位置進行分析，采用集成模塊LMD18200的單極性H型模式驅動電機旋轉，而電機通過軸端部的偏心球與滑閥的閥芯進行連接，因此將電機的旋轉運動轉化為數字閥閥芯的往復直線運動。伺服控制系統通過CAN和串口RS232與上位機進行通訊，實時監測電機的軌跡跟蹤狀態。有限轉角電機驅動偏心撥桿數字伺服閥的機械原理圖如圖2所示，系統將有限轉角電機、數字閥和控制驅動器合理布置，大大縮小了體積，使得整個系統更加產品化。

圖1 有限轉角電機位置伺服系統

圖2 伺服系統機械原理圖

系統的目標任務是電機精確跟蹤給定的正弦波位置信號，以保證數字閥閥芯穩定的直線運動，進而精確控制液壓油路的開啟和關閉。所選用的電機為有限轉角力矩電機，并通過機械限位將轉動角度控制在為-20°～20°范圍內。

2 系統硬件設計

控制驅動器硬件部分由ARM最小系統、電源模塊、信號處理模塊、電機驅動模塊、通訊模塊等組成。控制驅動器設計的目標任務是控制精度高、體積小，因此元器件選型和硬件電路設計非常重要。ARM控制系統的核心是STM32F103RET6，完成指令位置信號的生成、實際位置和電流信號的A/D采樣、控制算法的運算、PWM信號的生成及上位機通訊等。

電機驅動模塊采用的芯片LMD18200是專用于電機驅動的集成電路芯片，內部集成4個DMOS管，組成標準的H橋驅動橋，可實現PWM控制、方向控制、過熱報警和自動關斷保護等。其主要提供雙極性和單極性驅動方式，在雙極性驅動方式下，同一橋臂的2個開關管容易出現直通現象，引起短路，因此選用單極性驅動方式。LMD18200內部原理如圖3所示。

圖3 LMD18200及外圍電路圖

位置傳感器采用霍尼韋爾公司生產的模擬霍爾傳感器SS495A，其輸出與磁場強度成正比，因此電機軸位置信號輸出為線性電壓信號。在偏心撥桿數字伺服閥使用的過程中，電機實際轉動的角度為±20°，霍爾式角位移傳感器將電機的轉動位置反饋給CPU，計算出偏差信號，產生占空比，進而實現對電機輸出角度的精確閉環控制。

3 系統軟件設計

系統的軟件部分是基于編譯軟件Keil4進行的程序設計。位置伺服控制系統采用位置、電流雙閉環，內環為電流環，外環為位置環，控制系統的最終目標是動態性高、分辨率高，因此控制閥芯的移動即電機軸的轉動成為控制目標的關鍵。為提高系統的動態性能及正弦軌跡跟蹤的準確性，控制算法除采用增量式PID外，還引進了速度和加速度前饋、反電勢補償、雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略，使得系統的幅頻特性大幅度提高[10-11]。

3.1 給定信號的生成

給定位置信號的生成在軟件中采用STM32內部的定時器TIM，DMA和DAC模塊生成，通過ADC將數據采集后進行運算。由定時器定時觸發DAC進行數模轉換，每當出現定時器更新事件時，由DMA運送新的數據到達DAC的寄存器，DAC輸出數據，經過一個周期的DAC轉換，就能輸出一個連續的模擬正弦波數據，且頻率、幅值可調。

3.2 位置環前饋補償控制策略

前饋控制可以提前根據系統控制驅動器的偏差變化趨勢對實際的響應進行相應的調整。為改善位置環高頻正弦相位滯后問題，采用加入一階和二階導數的前饋控制量,一階導數的前饋控制量能夠補償控制系統的速度誤差；二階導數的前饋控制量能夠補償控制系統的加速度誤差，改善了位置環相位滯后問題，如圖4所示[12]。

圖4 前饋補償控制策略

3.3 反電勢補償控制策略

由于電機在零位的轉速變化最大,速度的波動引起了反電勢變化,因此對電流環產生了影響，造成了加速度精確度下降。為了解決電流畸變問題,采用反電勢補償策略,如圖5所示。反電動勢補償方式采用在電流環調節器后加入一個反電勢補償環節，在很大程度上提高了電機的動態響應能力。

圖5 反電勢補償控制策略

3.4 雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略

由于電流環采集精度及帶寬是影響位置環穩態精度和動態性能的關鍵,而在數字伺服控制系統中,制約電流環帶寬的因素主要包括功率器件PWM的開關頻率、A/D采樣時間、計算處理、PWM占空比更新等。在不改變功率器件開關頻率的前提下擴展電流環的帶寬很有必要，因此,通過采用雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略來拓展電流環帶寬,進而提高偏心撥桿閥位置伺服系統的動態性能。

圖6為雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新時序框圖,通過采用此策略,每個載波周期內電流環調節器的運算次數增加。可以通過使用定時器下溢和周期中點2個中斷來觸發雙次采祥和雙次PWM占空比更新,以便對轉矩波動即時檢測,進一步減小控制延時,提高系統相角裕度，電流環頻響提高直接改善了位置控制的響應能力。

圖6 雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略

4 測試驗證

4.1 有限轉角電機位置跟蹤測試

控制驅動器實物如圖7所示，為驗證系統的動態響應，對有限轉角位置伺服系統原理樣機進行了基本性能測試及靜、動態跟蹤試驗等。通過LabVIEW上位機觀察反饋結果并進行分析，改善前、后的70 Hz正弦信號位置跟蹤曲線分別如圖8和圖9所示，采用前饋和反電勢補償控制策略，使得相位滯后由65°改善為23°，大大提高了位置環帶寬。同時通過雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略，改善了系統的靜態跟蹤性能，0.05 Hz正弦跟蹤曲線及電流環曲線如圖10所示，有效的提高了跟蹤精度和系統分辨率。

圖7 有限轉角電機控制驅動器

圖8 改善前的70 Hz正弦跟蹤曲線

圖9 改善后的70 Hz正弦跟蹤曲線

圖10 0.05 Hz位置跟蹤曲線

4.2 一體式偏心撥桿伺服閥性能測試

針對小型化偏心撥桿數字閥進行了靜態測試，如圖11～圖13所示，分別為空載流量曲線、壓力特性曲線、分辨率曲線，靜態測試各項指標均符合小流量數字閥的要求。

圖11 偏心撥桿數字閥空載流量曲線

圖12 偏心撥桿數字閥壓力特性曲線

圖13 偏心撥桿數字閥分辨率曲線

由于數字閥的動態特性是由頻率特性反映的，因此通過動態性試驗裝置進行了頻率特性的測量與分析，得出結果如表1所示，其中動態性測試裝置由液壓能源、液壓缸、信號發生器和頻譜分析儀等組成。通過輸入25%總幅值(±5°)和不同頻率的正弦電流，測試偏心撥桿閥動態特性。

表1 系統的動態特性表

表2列出了小型化偏心撥桿閥各項指標的實測結果與目標的對比情況，各項指標實測結果均滿足系統要求。

表2 偏心撥桿數字伺服閥測試結果(供油壓力24 MPa)

5 結論

本研究在傳統液壓伺服閥上進行了創新，并設計了一種集成度高、體積小的有限轉角位置伺服控制驅動器，通過采用高性能STM32及智能驅動模塊LMD18200等，解決了傳統控制驅動器電路復雜、體積大、引腳功能浪費等問題，并運用有效的軟件算法實現了系統精確的位置控制。通過對系統測試，驗證了控制驅動器靜態和動態特性，各項性能指標均達到要求。