基于PPM和比例控制的雙電磁閥氣動(dòng)伺服控制方法

王伯揚(yáng)，張世紀(jì)，徐貴寅

（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

由氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置在機(jī)床、機(jī)器人和機(jī)械手等機(jī)械產(chǎn)品中有廣泛的應(yīng)用，具有負(fù)載高，裝置簡(jiǎn)單可靠、成本低、污染少的特點(diǎn)。但是由于氣體本身存在的可壓縮性強(qiáng)。且其通過(guò)閥時(shí)存在流動(dòng)性和流量非線性等問(wèn)題，氣動(dòng)控制存在響應(yīng)慢、延遲高、不易精確控制的缺點(diǎn)。

工業(yè)生產(chǎn)中常用的氣動(dòng)控制元件是直動(dòng)式電磁閥[1]，該種電磁閥采用電磁鐵的鐵芯，直接推動(dòng)氣閥的閥芯。在通電時(shí)由電磁鐵推動(dòng)閥芯向下移動(dòng)，使閥處于進(jìn)氣狀態(tài)；在斷電時(shí)由閥內(nèi)彈簧力將閥芯復(fù)位，使系統(tǒng)處于排氣狀態(tài)。該種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本低廉。但是由于電磁閥只執(zhí)行開(kāi)、閉兩種動(dòng)作，且電磁閥本身結(jié)構(gòu)使其存在從接收信號(hào)到完成開(kāi)/閉動(dòng)作的延遲，導(dǎo)致氣動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)精度較低。

為了提高氣動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)精度，王麗雪[2]等人通過(guò)分析電磁閥的電磁特性和空氣流動(dòng)特性，建立了電磁閥的耦合模型，得出了電磁氣隙和壓差與進(jìn)氣量的函數(shù)關(guān)系；姜柵[3]等人基于高速開(kāi)關(guān)閥，建立了負(fù)載、開(kāi)關(guān)閥、導(dǎo)管等氣動(dòng)元器件的氣動(dòng)模型，并設(shè)計(jì)了模糊PID控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)手術(shù)機(jī)器人的精確控制；張軍昌[4]等人使用基于PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)和開(kāi)關(guān)電磁閥的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)比例舵機(jī)跟蹤性能的提高。

本文使用電磁閥，設(shè)計(jì)了一種基于PPM（脈沖相位調(diào)制）方法的雙電磁閥氣動(dòng)控制模型，利用P（比例）方法對(duì)雙電磁閥脈沖信號(hào)相位進(jìn)行控制。在此基礎(chǔ)上利用空壓機(jī)、Arduino單片機(jī)、繼電器、電磁閥和氣缸實(shí)物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該控制方法能夠有效降低由于信號(hào)傳輸和電磁閥結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的延遲，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和精確控制；同時(shí)能夠降低控制過(guò)程中系統(tǒng)的氣壓峰值，保護(hù)氣動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)元器件的安全。

1 PPM和氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)原理

脈位調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM）是一種通過(guò)調(diào)制各個(gè)信號(hào)之間的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖相對(duì)位置的變化，并通過(guò)脈沖相對(duì)位置的變化控制系統(tǒng)的方法，該方法具有能量傳輸效率高，編碼簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[5]，被廣泛應(yīng)用在通信領(lǐng)域。在雙電磁閥控制系統(tǒng)中，由于每一個(gè)電磁閥都使用脈沖信號(hào)控制其通斷，通過(guò)信號(hào)控制兩個(gè)電磁閥脈沖信號(hào)的相位差，使氣動(dòng)系統(tǒng)只在這兩個(gè)脈沖信號(hào)重合的部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，控制電磁閥的通斷。由于雙脈沖信號(hào)重合的周期比單個(gè)脈沖信號(hào)的周期更短，采用PPM雙電磁閥控制的氣動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)刂菩盘?hào)做出更快的響應(yīng)。同時(shí)，利用P（比例）程序?qū)蓚€(gè)信號(hào)的相位差做出調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制。

PPM雙電磁閥控制信號(hào)原理圖如圖1所示，使用兩個(gè)周期和幅值相同（圖中為區(qū)別兩個(gè)信號(hào)，將其中一個(gè)信號(hào)向上平移）的脈沖信號(hào)分別控制一個(gè)電磁閥。兩個(gè)電磁閥分別在脈沖信號(hào)達(dá)到幅值時(shí)通電，電磁鐵帶動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)電磁閥。在氣動(dòng)系統(tǒng)中，只有當(dāng)兩個(gè)氣動(dòng)信號(hào)同時(shí)打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)才能通氣。圖中的陰影部分即為兩個(gè)信號(hào)重合的時(shí)間。采用比例信號(hào)控制陰影部分的長(zhǎng)度，即可控制系統(tǒng)的進(jìn)氣速率。

圖1 PPM雙電磁閥控制信號(hào)原理圖

伺服控制流程圖如圖2所示，雙電磁閥系統(tǒng)采用負(fù)反饋和比例方式來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服控制。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集氣壓值，與理想氣壓值作差來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。對(duì)該差值乘相應(yīng)比例后發(fā)出信號(hào)，控制雙電磁閥的相位差。若氣壓低于理想氣壓值，則兩個(gè)電磁閥同時(shí)打開(kāi)，系統(tǒng)進(jìn)氣；若氣壓高于理想氣壓值，則根據(jù)負(fù)反饋的差值控制相位，系統(tǒng)放氣。氣壓傳感器每25毫秒對(duì)系統(tǒng)氣壓值進(jìn)行采樣。最終系統(tǒng)的氣壓值在理想氣壓值附近振蕩后達(dá)到理想氣壓值。改變理想氣壓值，負(fù)反饋系統(tǒng)將控制雙電磁閥相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)通氣或放氣，使氣壓值改變，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的伺服控制。

圖2 伺服控制流程圖

2 氣動(dòng)伺服控制模型建模

圖3是使用雙電磁閥進(jìn)行PPM相位調(diào)制來(lái)控制氣缸內(nèi)氣壓的模型圖。圖中兩個(gè)電磁閥分別連接一個(gè)繼電器，用來(lái)接收單片機(jī)發(fā)出的相位控制信號(hào)并控制電磁閥。電磁閥采用三位三通電磁閥，可以執(zhí)行通氣、放氣和關(guān)閉操作。在氣缸內(nèi)放置氣壓傳感器，采集氣缸內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)并與上位機(jī)相連。單片機(jī)執(zhí)行比例程序，根據(jù)氣壓傳感器的反饋，控制兩電磁閥的相位差，實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)氣壓的伺服控制。

圖3 PPM雙電磁閥氣動(dòng)控制模型

3 實(shí)驗(yàn)分析

在PPM雙電磁閥氣動(dòng)控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，利用空壓機(jī)、Arduino單片機(jī)、繼電器、氣壓傳感器、電磁閥和氣缸實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。氣壓傳感器每25毫秒對(duì)氣缸內(nèi)氣壓進(jìn)行一次采樣。Arduino單片機(jī)接收來(lái)自氣壓傳感器的反饋信號(hào)，執(zhí)行比例控制程序，并通過(guò)繼電器將控制信號(hào)輸出到電磁閥上。

圖4 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證PPM雙電磁閥氣動(dòng)控制系統(tǒng)相對(duì)于單電磁閥系統(tǒng)在延遲性上的差異，實(shí)驗(yàn)分別利用雙電磁閥和單電磁閥系統(tǒng)，進(jìn)行了三種不同控制方法的對(duì)照。其中兩組采用單電磁閥控制：第一組在氣缸內(nèi)氣壓達(dá)到理想值后關(guān)閉電磁閥使氣缸內(nèi)氣壓穩(wěn)定；第二組在傳感器檢測(cè)到氣缸內(nèi)氣壓高于理想值時(shí)放氣，反之則通氣；第三組采用所述的基于PPM和比例的雙電磁閥系統(tǒng)控制。設(shè)定理想氣壓值為0.3 Mpa。傳感器每25 ms對(duì)氣缸內(nèi)氣壓進(jìn)行一次采樣。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5和表1所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

表1 實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)表

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：

（1）在第一組數(shù)據(jù)中，采用單電磁閥控制氣動(dòng)系統(tǒng)。在第600 ms傳感器檢測(cè)到氣缸內(nèi)氣壓達(dá)到理想值，在第650 ms電磁閥接收信號(hào)并關(guān)閉，氣缸內(nèi)氣壓穩(wěn)定。可見(jiàn)由于單片機(jī)和繼電器的信號(hào)傳輸以及單個(gè)電磁閥對(duì)信號(hào)做出響應(yīng)導(dǎo)致的系統(tǒng)延遲為50 ms。

（2）第二組數(shù)據(jù)中，依然采用單電磁閥控制氣動(dòng)系統(tǒng)。在第600 ms傳感器檢測(cè)到氣缸內(nèi)氣壓達(dá)到理想值，在第650 ms電磁閥接收信號(hào)并開(kāi)始放氣。此時(shí)氣缸內(nèi)氣壓達(dá)到峰值，為0.338 Mpa。經(jīng)過(guò)放氣之后，氣缸內(nèi)氣壓在第700 ms穩(wěn)定。從電磁閥接收到氣缸內(nèi)氣壓穩(wěn)定，整個(gè)伺服過(guò)程共耗時(shí)50 ms.

（3）在第三組數(shù)據(jù)中，采用雙電磁閥結(jié)合PPM和比例方法控制氣動(dòng)系統(tǒng)。在第600 ms傳感器檢測(cè)到氣缸內(nèi)氣壓達(dá)到理想值，在第625 ms氣缸內(nèi)氣壓達(dá)到峰值，較前兩組提前了25 ms，可見(jiàn)系統(tǒng)做出了更快的響應(yīng)；之后氣缸內(nèi)氣壓在第650 ms穩(wěn)定。從雙電磁閥系統(tǒng)接收單片機(jī)信號(hào)到氣缸內(nèi)氣壓穩(wěn)定，整個(gè)伺服過(guò)程共耗時(shí)25 ms，較第二組提前了25 ms，可見(jiàn)系統(tǒng)做出了更精確的控制。另外，全過(guò)程氣壓峰值為0.318 Mpa，較第二組降低了0.02 Mpa。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合PPM脈位寬度調(diào)制原理，氣動(dòng)模型建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論。

（1）采用PPM和比例控制的雙電磁閥氣動(dòng)系統(tǒng)，由于雙脈沖信號(hào)重合的周期比單個(gè)脈沖信號(hào)的周期更短，系統(tǒng)不僅能夠降低因?yàn)殡姶砰y作出響應(yīng)的耗時(shí)，即響應(yīng)時(shí)間，而且能夠降低伺服控制過(guò)程的耗時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)和更精確的控制。

（2）采用PPM和比例控制的雙電磁閥氣動(dòng)系統(tǒng)，由于響應(yīng)更快，系統(tǒng)的氣壓峰值會(huì)得到降低，這有助于保護(hù)氣動(dòng)系統(tǒng)中元器件的安全。

（3）采用PPM和比例控制的雙電磁閥氣動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的響應(yīng)和伺服控制時(shí)間降低25 ms，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用PPM和雙電磁閥進(jìn)行氣動(dòng)控制的可行性。后續(xù)可以利用更多方法調(diào)節(jié)相位（例如PID），通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，使延遲可以進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)更加精確控制。■