基于DSP的電液伺服控制系統(tǒng)研究

羅長(zhǎng)才，馬家文

（比亞迪機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518118）

液壓伺服系統(tǒng)自上世紀(jì)50年代出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展[1]，在汽車工業(yè)的發(fā)展中電液伺服控制系統(tǒng)在汽車金屬材料、非金屬材料、零部件、汽車車身等的機(jī)械性能及工業(yè)性能試驗(yàn)驗(yàn)證非常成熟，汽車車身、底盤、座椅、懸架及減震系統(tǒng)等汽車動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)分析需求日益增加。但縱觀國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)電液伺服控制系統(tǒng)基本上被國(guó)外品牌穆格、阿托斯、英斯特朗、MTS等廠商壟斷，電液伺服控制系統(tǒng)一通道售價(jià)在10萬(wàn)人民幣左右，價(jià)格高昂。目前國(guó)外品牌電液伺服控制系統(tǒng)頻率在0.1 Hz～100 Hz[1]，加載行程：0 mm～ 200 mm左右。模擬量采集位數(shù)16位、采樣頻率 1 kHz～10 kHz，輸出控制響應(yīng)在1 kHz～20 kHz，采集精度在5‰左右，動(dòng)態(tài)控制精度1%FS左右。

針對(duì)上述情況并為了打破國(guó)外品牌的壟斷地位，設(shè)計(jì)了一款自研電液伺服控制系統(tǒng)具備力和位移的雙閉環(huán)控制，成本在每通道1萬(wàn)人民幣左右，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)的高精度的正弦、三角、隨機(jī)波等加載及靜態(tài)力加載、位移加載測(cè)試，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度同國(guó)外品牌的液伺服控制系統(tǒng)相當(dāng)。

1 電液伺服控制系統(tǒng)參數(shù)

自研電液伺服控制系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，其中汽車零部件動(dòng)態(tài)加載時(shí)所需行程都在120 mm以下，考慮到高動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求動(dòng)態(tài)加載行程規(guī)劃為0 mm～150 mm，雖然比國(guó)外品牌的值較小，不影響相關(guān)測(cè)試。

表1 技術(shù)參數(shù)

8 位移采集精度/mm ±＜0.029 力采集精度/（%FS） ＜0.310 位移控制精度/mm ±＜0.111 力控制精度/（%FS） ＜112 通信方式 以太網(wǎng)、RC485.CAN 13 傳感器供電可選/V DC5、12、24

2 原理介紹

2.1 電液伺服系統(tǒng)原理

電液伺服系統(tǒng)如圖1所示，由上位機(jī)系統(tǒng)、多通道液壓伺服控制器、液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)組成的一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。人機(jī)界面工況及運(yùn)行上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)數(shù)據(jù)交互，多通道液壓伺服控制器采用動(dòng)態(tài)換擋程序（Dynamic Shift Program, DSP）芯片整個(gè)作為控制方案的核心，多通道液壓伺服控制器對(duì)負(fù)載的位移、壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)比例積分微分（Propor- tion Integration Differentiation, PID）運(yùn)算后閉環(huán)輸出控制電液伺服閥，電液伺服閥驅(qū)動(dòng)液壓缸動(dòng)作，行業(yè)中在液壓缸內(nèi)部安裝磁致伸縮式位移傳感器采集位移信號(hào)，可靠性雖然高，但該信號(hào)類型為模擬量，抗干擾能力較差，為提升整體控制精度本方案采用外置式光柵尺，通過(guò)多通道液壓伺服控制器高數(shù)計(jì)數(shù)口采集，位移精度可以做到0.01 mm，且抗干擾能力較強(qiáng)。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.2 控制原理介紹

在伺服液壓閥本身的伺服閉環(huán)控制基礎(chǔ)上增加外環(huán)位移閉環(huán)控制和力閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)雙環(huán)閉環(huán)控制的原理設(shè)計(jì)，即位移閉環(huán)控制和力閉環(huán)控制。位移閉環(huán)控制：多通道液壓伺服控制器通過(guò)給定目標(biāo)位移值運(yùn)算輸出0 mA～20 mA電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服液壓閥動(dòng)作，伺服液壓閥控制液壓缸動(dòng)作，外置柵尺位移檢測(cè)采集液壓缸動(dòng)作位移信號(hào)，進(jìn)行PID運(yùn)算后在改變0 mA～20 mA電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服液壓閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)位移的目標(biāo)和實(shí)際值相等的閉環(huán)控制；力閉環(huán)控制：多通道液壓伺服控制器通過(guò)給定目標(biāo)力值運(yùn)算輸出0 mA～ 20 mA電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服液壓閥動(dòng)作，伺服液壓閥控制液壓缸動(dòng)作，外置壓力傳感器檢測(cè)并采集液壓缸動(dòng)作負(fù)載的壓力信號(hào)，進(jìn)行PID運(yùn)算后在改變0 mA～20 mA電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服液壓閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)力的目標(biāo)和實(shí)際值相等的閉環(huán)控制。

為提升位移閉環(huán)控制和力閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，在此閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)硬件電控設(shè)計(jì)輸出位移動(dòng)態(tài)補(bǔ)償回路和力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償回路來(lái)提升系統(tǒng)響應(yīng)能力。電液伺服系統(tǒng)控制如圖2所示。

圖2 控制原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

在汽車靜載或疲勞測(cè)試過(guò)程中90%情況下使用到一個(gè)通道，道路模擬測(cè)試需要使用到4個(gè)通道，因此一臺(tái)液壓伺服控制器配置4個(gè)液壓控制通道，主要由電源板、狀態(tài)指示板、主板、DIO板控制板、閉環(huán)控制板、網(wǎng)絡(luò)通訊板組成。其中一個(gè)閉環(huán)控制板和一個(gè)信號(hào)處理板組成一個(gè)伺服控制通道，該控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主板DSP1和四核通道的閉環(huán)控制板DSP2、DSP3、DSP4、DSP5均采用TMS320F2812芯片，TMS320 F2812芯片參數(shù)為32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM)：36 KB，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器DSP1256KB，io通道56個(gè)，PWM16通道，CAP6通道，QE2通道，串口類型：SPI、SCI、eCAN、McBSP，3個(gè)外部中斷和45個(gè)可用的外設(shè)中斷，12位ADC。DSP1作為整機(jī)的控制核心負(fù)責(zé)上位機(jī)信號(hào)交互、四核閉環(huán)控制板的中央?yún)f(xié)調(diào)控制、過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，DSP2、DSP3、DSP4、DSP5分別負(fù)責(zé)每個(gè)伺服通道的信號(hào)采集及伺服閉環(huán)實(shí)時(shí)控制。

圖3 控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電源板-供電方案：通過(guò)兩個(gè)變壓器單相AC220V電源單相AC24V、AC15V電源，AC24V整流二極管整流濾波為DC24V電源，DC24V電源經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM2575提供5V電源為控制芯片供電，DC24V電源經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM7812和LM7805提供DC12V和DC5V電源為控制傳感器供電；AC15V電源經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM7815和LM7915提供DC+15V和DC-15V為信號(hào)處理板濾波、放大等供電；閉環(huán)控制板設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換，DC5V經(jīng)芯片TPS75733轉(zhuǎn)變?yōu)镈C3.3V為DSP-TMS320F2812、存儲(chǔ)芯片K9K8G081UOM等芯片提供電源；基準(zhǔn)電源芯片將D3.3轉(zhuǎn)變?yōu)镈C1.9V基準(zhǔn)電源為模擬量采集提供1.9 V基準(zhǔn)電源；電源隔離芯片VB0505S將DC5V電源隔離輸出DC5V為模擬量采集芯片供電，從而到達(dá)模擬電源和數(shù)字電源的隔離，保證信號(hào)不干擾。

狀態(tài)指示板主要由5個(gè)LED組成，用主板控制芯片DSP-TMS320F2812的IO口控制輸出驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮，狀態(tài)顯示控制的電源指示、運(yùn)行指示、通信狀態(tài)指示、故障指示、報(bào)警指示信息。

主板采用TMS320F2812，設(shè)計(jì)150 MHz時(shí)鐘晶振最為系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)計(jì)CY7C104CV33（256Kb× 8）靜態(tài)RAM有程序存儲(chǔ)，通過(guò)SPI同步并行通信方式與存儲(chǔ)芯片K9K8G081UOM進(jìn)行交互，提供 8位4G的過(guò)程存儲(chǔ)能力；DXP1的19路DI輸入XA0-XA18采集來(lái)自IO控制板的按鈕輸入信號(hào)（啟動(dòng)、停止、故障復(fù)位等），DXP的16路DO輸出型號(hào)輸出控制狀態(tài)指示板的LED燈和IO控制板的油源控制回路（油源啟停、回路液壓閥、泄壓閥等）；DXP1通過(guò)并口與通信板的以太網(wǎng)控制芯片W5300、串口芯片MAX232、CAN通信芯片TJA1040，進(jìn)行提供以太網(wǎng)接口，485串口和CAN通信方式與上位機(jī)和外部通信。

IO控制板主要將IO控制板采集的按鈕輸入信號(hào)（啟動(dòng)、停止、故障復(fù)位等）經(jīng)74LS165采集后通過(guò)串行通信接口（Serial Communication Interface, SCI）通信方式傳輸給主板DSP1進(jìn)行數(shù)字量信號(hào)采集。主板DSP1并通過(guò)SCI方式控制，IO控制板的數(shù)字量輸出芯片LM4094輸出，在經(jīng)過(guò)ULN2803AQ驅(qū)動(dòng)油源控制回路（油源啟停、回路液壓閥、泄壓閥等）及控制狀態(tài)指示板的LED燈。

閉環(huán)控制板為滿足每個(gè)伺服通道的高響應(yīng)和實(shí)時(shí)性要求，每個(gè)伺服控制通道設(shè)計(jì)一個(gè)DSP進(jìn)行獨(dú)立控制，型號(hào)均為TMS320F2812，每個(gè)通道可以獨(dú)立使用，根據(jù)使用需求進(jìn)行配置。閉環(huán)控制板DSP自帶的AD為12位，不能滿足采樣精度要求，因此，在閉環(huán)控制設(shè)計(jì)16位AD采集芯片AD7720來(lái)采集壓力傳感器壓力信號(hào)，信號(hào)處理壓力傳感信號(hào)通過(guò)AD620進(jìn)行放到后在經(jīng)過(guò)TL082進(jìn)行高頻濾波后經(jīng)OP07低頻濾波后輸出給AD7720采集。位移傳感器器光柵尺信號(hào)進(jìn)SDC2760處理后輸出給DSP的CAP高速通道。DSP的模擬輸出DA通道經(jīng)芯片OP07信號(hào)調(diào)理后，通過(guò)TL082放大驅(qū)動(dòng)液壓伺服閥。

通信板集成了以太網(wǎng)、485串口和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）通信方式，以太網(wǎng)采用芯片W5300，設(shè)計(jì)30MHz時(shí)鐘晶振最為系統(tǒng)時(shí)鐘，保證以太網(wǎng)的通信速率在10 M以上，并通過(guò)HR901175A網(wǎng)絡(luò)變壓器與外部進(jìn)行交互；485串口采用芯片MAX232并配置ADUM2402進(jìn)行信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)，保證通信外部不受電磁干擾損傷芯片；CAN網(wǎng)絡(luò)采用芯片TJA1040,同樣配置ADUM2402進(jìn)行信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)，保證通信外部不受電磁干擾損傷芯片。485串口和CAN通信方式均通過(guò)時(shí)鐘芯片M41T94同DSP1芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件由上位機(jī)軟件、主控軟件、閉環(huán)控制軟件、上位機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件、下位機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件組成，如圖4所示。

圖4 程序結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)軟件基于LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由液晶顯示、輸入輸出人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)置、給定信號(hào)生成器、傳感器配置及標(biāo)定、與主控?cái)?shù)據(jù)交互、用戶管理、測(cè)試流程管理、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測(cè)試流程管理、數(shù)據(jù)分析等模塊組成，上位機(jī)軟件界面如圖5所示。用戶管理，主要根據(jù)管理員和一般用戶兩種用戶賦予軟件系統(tǒng)的不同權(quán)限，保證系統(tǒng)使用的安全與準(zhǔn)確；數(shù)據(jù)分析，對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，分析試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題；通道配置，配置本系統(tǒng)中需要用到的資源。通道標(biāo)定，對(duì)系統(tǒng)中所用到的采集通道的零點(diǎn)、增益、量程等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。測(cè)試管理包括功能調(diào)試、通訊板硬件調(diào)試和子板硬件調(diào)試。功能調(diào)試，主要用于調(diào)整下位機(jī)的參數(shù)和PID模糊控制參數(shù)，使液壓伺服控制器能滿足試驗(yàn)的需求。通訊板和子板硬件調(diào)試模塊，主要利用直觀的界面方便硬件的調(diào)試。試驗(yàn)過(guò)程主要包括試驗(yàn)管理、信號(hào)校準(zhǔn)、起點(diǎn)調(diào)整、試驗(yàn)控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控。試驗(yàn)管理，用于配置試驗(yàn)人員、試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)參數(shù)。起點(diǎn)調(diào)整，調(diào)整樣品試驗(yàn)的起點(diǎn)。給定信號(hào)生成器主要用途有兩個(gè)：一是通過(guò)函數(shù)自動(dòng)生成正弦波、三角波、鋸齒波曲線作為伺服液壓系統(tǒng)的控制目標(biāo)曲線；二是將道路采集的道路載荷信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)處理后，生成道路載荷曲線，為道路模擬提供控制目標(biāo)曲線。上位機(jī)軟件將設(shè)置參數(shù)、目標(biāo)曲線、指令等信息處理后通過(guò)以太網(wǎng)傳給主控DSP運(yùn)算控制，同時(shí)主控DSP將下位機(jī)的狀態(tài)信號(hào)、傳感器采集曲線等數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件處理顯示。

圖5 上位機(jī)軟件界面

下位機(jī)軟件基于CCS軟件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由主控軟件和閉環(huán)控制軟件組成。

主控軟件部署于DPS1中，由任務(wù)分配與協(xié)調(diào)、系統(tǒng)流程控制、io控制、與閉環(huán)控制板交互、上位機(jī)的交互、以太網(wǎng)通信、串口485通信、CAN通信模塊組成。做為下位機(jī)的控制核心，起承上啟下作用，將上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信協(xié)議將控制指令信息處理后輸出控制io板、閉環(huán)控制板控制輸出，同時(shí)將io板、閉環(huán)控制的狀態(tài)信息反饋給上位機(jī)處理、保存及顯示，并負(fù)責(zé)太網(wǎng)通信、串口485通信、CAN通信通信驅(qū)動(dòng)及通信協(xié)議解析。

閉環(huán)控制軟件署于DPS2、DPS3、DPS4、DPS5中，由力信號(hào)采集、力信號(hào)軟件濾波、位移光柵尺軟件濾波、PID運(yùn)算控制、伺服閥驅(qū)動(dòng)與主控?cái)?shù)據(jù)交互等模塊組成。具備力和位移的采集、標(biāo)定、軟件濾波，實(shí)現(xiàn)位移、力、扭矩、加速度的精確閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)道路模擬、正弦波、三角波、方波、定頻定幅動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)；各種直線運(yùn)動(dòng)的模擬負(fù)載閉環(huán)控制。

5 采集和控制精度驗(yàn)證

5.1 位移采集精度驗(yàn)證

位移精度采集精度驗(yàn)證方法：利用一個(gè)量程為0 mm～1000 mm，精度為±0.001 mm高精度的高度位移傳感器（標(biāo)準(zhǔn)值）通過(guò)工裝平行安裝伺服控制系統(tǒng)的光柵尺位移傳感（測(cè)量值）一旁同時(shí)去，在相同的環(huán)境下同時(shí)測(cè)10組位移數(shù)據(jù)然后計(jì)算誤差并得出液壓伺服系統(tǒng)的的位移采集精度。誤差等于測(cè)量值減去標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，結(jié)果位移采集最誤差為0.014 mm，小于位移采集精度±0.02。

表2 位移標(biāo)定結(jié)果

5.2 力采集精度驗(yàn)證

力采集精度驗(yàn)證方法：利用一個(gè)量程為50 kN，精度為0.2 %FS的高精度力標(biāo)定采集系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)值）和安裝伺服控制系統(tǒng)的力傳感器（測(cè)量值），使用式（1）計(jì)算精度。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，結(jié)果力采集最大值誤差精度為0.29 %FS，小于壓力采集精度0.5 %FS。

表3 位移標(biāo)定結(jié)果

式中，J為精度；A為測(cè)量值；M為標(biāo)準(zhǔn)值；U為量程。

5.3 位移控制精度驗(yàn)證

位移控制精度驗(yàn)證方法：使用伺服控制系統(tǒng)控制伺服液壓閥，驅(qū)動(dòng)液壓缸做位置控制，設(shè)定6段行程（設(shè)定值），使用高度位移傳感器量程為 0 mm～1000 mm，精度為±0.001 mm（測(cè)量值），誤差等于測(cè)量值減去設(shè)置值。測(cè)試結(jié)果如表4所示，結(jié)果最大位移控制誤差為-0.079，小于位移控制精度±0.1 mm。

表4 位移控制標(biāo)定結(jié)果

5.4 力控制精度控制驗(yàn)證

力控制精度驗(yàn)證方法：使用伺服控制系統(tǒng)控制伺服液壓閥，驅(qū)動(dòng)液壓缸做力控制，設(shè)定6段力值（設(shè)定值），使用高精度力標(biāo)定采集系統(tǒng)程為量程為50 kN，精度為0.2 %FS（測(cè)量值），使用式（1）計(jì)算精度，其中設(shè)定點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)值。測(cè)試結(jié)果如表5所示，結(jié)果最大力控制誤差精度為0.48 %FS，小于力控制精度＜1 %FS。

表5 力控制標(biāo)定結(jié)果

6 疲勞耐久試驗(yàn)中的驗(yàn)證

在汽車整車及零部件測(cè)試中疲勞耐久試驗(yàn)最能體現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及可靠性，因此，選擇汽車減震器疲勞耐久試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自研電液伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及可靠性。

6.1 驗(yàn)證方法

采用位移控制模式對(duì)汽車減震器進(jìn)行500萬(wàn)次正弦波加載疲勞耐久測(cè)試，幅值為±5 mm，加載周期為0.5 Hz，每完成50萬(wàn)次循環(huán)進(jìn)行金屬探傷 檢測(cè)，要求500萬(wàn)次疲勞耐久測(cè)試后該產(chǎn)品完整，經(jīng)金屬探傷檢測(cè)無(wú)裂痕并無(wú)漏油現(xiàn)象。將減震器安裝于如圖6所示的設(shè)備上，通過(guò)上位軟件配置參數(shù)后自動(dòng)生成正弦波加載曲線。啟動(dòng)電液伺服系統(tǒng)，開(kāi)始疲勞耐久測(cè)試。

圖6 試驗(yàn)設(shè)備圖

6.2 驗(yàn)證的效果

測(cè)試效果圖如7所示，虛線曲線1為目標(biāo)加載曲線、細(xì)實(shí)曲線2為實(shí)時(shí)位移曲線，粗實(shí)曲線3為實(shí)時(shí)力曲線。通過(guò)該圖可以看出實(shí)際控制曲線與給定的目標(biāo)曲線動(dòng)態(tài)跟隨性控制在150 ms以內(nèi)，非常接近目標(biāo)曲，且平滑。該控制曲線同國(guó)外品牌的電液伺服系統(tǒng)控制水平相當(dāng)，進(jìn)一步證明了自研電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好。并且設(shè)備無(wú)故障情況下完成了減震器500萬(wàn)次的正弦波加載疲勞耐久測(cè)試任務(wù)，充分驗(yàn)證了自研電液伺服系統(tǒng)的可靠性。

圖7 測(cè)試波形圖

7 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合汽車整車及零部件剛度和疲勞測(cè)試的試驗(yàn)需求，自研開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了以LabVIEW和DSP為核心的實(shí)時(shí)高精度電液伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)人機(jī)交互界面美觀、易于操作，液壓伺服控制器控制精度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。通過(guò)力和位移的采集精度和控制精度驗(yàn)證測(cè)試和疲勞耐久試驗(yàn)中的驗(yàn)證在，說(shuō)明了該電液伺服控制系統(tǒng)采集精度、控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可靠性已經(jīng)到達(dá)了國(guó)外同類型的控制水平，且該產(chǎn)品一個(gè)通道的成本在1萬(wàn)元人民幣左右，是國(guó)外品牌成本的十分之一。現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公司的汽車整車及零部件試驗(yàn)，并取得良好效果，從而提高了公司汽車的綜合品質(zhì)，提升了新能源汽車的研發(fā)能力及手段，降低了整車開(kāi)發(fā)成本。同時(shí)為后續(xù)類似產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。