直升機(jī)尾部減速器力加載用數(shù)字式液壓伺服控制器設(shè)計與實現(xiàn)

劉芝福

（中國航發(fā)中傳機(jī)械有限公司，長沙 410200）

基于液壓伺服的推拉力加載系統(tǒng)具有體積小、加載功率密度大、加載慣性小以及精度高等優(yōu)點[1-2]。在航空航天、國防以及工業(yè)等領(lǐng)域，常常采用液壓加載來模擬被試對象的負(fù)載[3]。便攜、多通道以及高精度的數(shù)字式液壓伺服控制器是加載系統(tǒng)的控制載體[4]。本文以直升機(jī)尾部減速器操縱軸加載為應(yīng)用對象，設(shè)計了多通道數(shù)字式液壓伺服加載控制器，詳細(xì)介紹了以stm32F407為中央處理器、CS5532為力傳感器采集芯片、DAC8563為伺服閥驅(qū)動芯片的軟硬件設(shè)計實現(xiàn)過程和變參數(shù)的PID控制在液壓伺服控制上的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

為模擬直升機(jī)尾部減速器操縱軸和操縱桿在飛行姿態(tài)下的受力載荷，設(shè)計如圖1所示的加載結(jié)構(gòu)。尾漿操縱軸軸向力通過油缸1和油缸2同步施加，徑向力通過操縱軸徑向油缸施加，操縱桿軸向力通過操縱桿軸向油缸施加。每一個油缸由1路液壓伺服通道控制，共計4路進(jìn)行加載測試。其中，操縱軸軸向力為避免油缸1和油缸2不同步形成操縱軸彎矩，油缸1和油缸2通過伺服控制器同步施加軸向力。根據(jù)加載要求，每一路液壓伺服控制精度都需要達(dá)到±2%F.S。

圖1 加載結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)需要加載力的數(shù)量和加載方式，設(shè)計控制器硬件系統(tǒng)如圖2所示。硬件系統(tǒng)需滿足：4路惠斯通電阻橋式力值傳感器信號采集；4路液壓伺服閥驅(qū)動電路；上位機(jī)通信接口用于載荷譜下載和加載實測力值上傳；EEPROM用于控制參數(shù)存儲。

圖2 硬件系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計

2.1 中央處理器

stm32F407包括6個USART、3個I2C、2個CAN、1個SDIO以及3個SPI共15個通信接口。它多達(dá)17個定時器，頻率高達(dá)168 MHz。采用stm32F407作為中央處理，能滿足液壓伺服閉環(huán)控制算法的計算速度要求[5-7]。SDIO接口與伺服驅(qū)動電路接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；SPI接口與伺服推拉力力值采集電路接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；I2C用于EEPROM接口；UART用于上位機(jī)接口。

2.2 推拉力力值采集

推拉力采集的分辨率、精度以及動態(tài)特性是控制精度的關(guān)鍵。推拉力傳感器信號采集依賴其芯片性能。根據(jù)控制精度需求，選擇精度高、動態(tài)特性好的CS5532作為力值采集轉(zhuǎn)換芯片。該芯片可得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，其內(nèi)部的自校正系統(tǒng)可實現(xiàn)自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，可消除系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差，以及A/D本身的零點增益和漂移誤差。它還具有SPI高速數(shù)據(jù)通信總線和兩路信號采集能力，可以實現(xiàn)惠斯通電阻橋式力值傳感器信號采集。

該液壓伺服控制器的其中兩路采集電路如圖3所示。CS5532的14針為片選信號腳，11、12、13引腳分別與中央處理器stm32F407的SCK、SDO、SDI引腳相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖3 力值采集電路圖

2.3 伺服閥驅(qū)動電路

伺服閥驅(qū)動采用兩級信號處理，如圖4所示。第一級采用DAC8563實現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換。第二級采用AD8056運(yùn)放，實現(xiàn)±10 V、20 mA驅(qū)動能力。

圖4 伺服閥驅(qū)動電路

每片DAC8563芯片可實現(xiàn)兩路DA轉(zhuǎn)換[8]；具備16位分辨率，-10～+10 V、10 mA帶載能力；DAC輸出響應(yīng)為10 μs；高速SPI接口可用于中央處理器數(shù)據(jù)交換；輸出模擬帶寬為350 kHz。

采用AD8056運(yùn)放設(shè)計達(dá)到液壓伺服閥20 mA驅(qū)動能力。

3 控制軟件

3.1 CS5532驅(qū)動程序

驅(qū)動程序包括芯片初始化及其相關(guān)寄存器配置。

3.2 DAC8563驅(qū)動程序

初始化DAC8563芯片。

3.3 液壓伺服加載流程

液壓伺服加載以操縱桿加載通道作為設(shè)計分析對象，其他通道加載原理一致。它的加載流程，如圖5所示。

圖5 液壓伺服加載流程圖

3.4 變參數(shù)PID控制算法

為了快速高精度跟隨，該液壓伺服控制采用增量式PID控制方式[9]。PID算法由式（1）減去式（2）得到式（3）的控制增量。

由于一般控制都采用恒定的采樣周期T，一旦確定了Kp、KI、KD，只要使用前后3次測量值的偏差即可求出控制增量[10]。這樣利用算式（4）通過軟件來執(zhí)行加上上次的輸出值，即可獲得這次的數(shù)字PID控制器輸出值。

為了改善液壓伺服閥過零點的非線性影響，采用分段的PID控制參數(shù)[11-12]。根據(jù)實測液壓伺服小于±300 N這個區(qū)間范圍的修正效果最明顯，以±300 N作為分界點配置不同PID系數(shù)。

4 試驗結(jié)果

伺服控制器的一個通道設(shè)計為±20 000 N，用于尾部操縱桿力加載。對它進(jìn)行推拉力（該系統(tǒng)預(yù)設(shè)推力為正、拉力為負(fù)）跟隨試驗，設(shè)置加載拉力為-9 650 N，跟隨效果如圖6所示，其中橫軸每格代表10 ms?？梢姡?00 ms可以穩(wěn)定跟隨目標(biāo)力值，跟隨精度達(dá)到±2%F.S的要求范圍。

圖6 實際力跟隨加載圖

5 結(jié)語

結(jié)合直升機(jī)尾部減速器操縱軸與操縱桿臺架試驗的力加載特點，實現(xiàn)了以stm32F407為中央處理器、CS5532為力傳感器采集芯片、DAC8563為伺服閥驅(qū)動芯片的多通道液壓伺服控制器。該數(shù)字液壓伺服控制器采用變PID參數(shù)控制算法，可以實現(xiàn)50 μs的伺服計算周期、跟隨精度達(dá)到±2%F.S。試驗結(jié)果表明，該多通道液壓伺服控制器具有控制精度高、強(qiáng)運(yùn)算速度快的特點，可滿足升機(jī)尾部減速器操縱軸與操縱桿臺架試驗時對力加載高精度和高動態(tài)加載的要求。