基于DSP的高速液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

1、基于DSP的高速液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究 摘要：該文介紹了基于DSP的高速液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：DSP、伺服控制器、算法、伺服閥Abstract:The high-speed hydraulic servo control system designed base on DSP ,Also modeling and application are introduced Key words:DSP、servo controller 、arithmetic、servo valve 0 前言 近年電液伺服控制技術(shù)的發(fā)展非常迅速，覆蓋從民用機(jī)械到國(guó)防工業(yè)，以及冶金重工等關(guān)鍵國(guó)民經(jīng)濟(jì)

2、領(lǐng)域。本文從液壓伺服系統(tǒng)層面對(duì)電液伺服控制技術(shù)進(jìn)行了探討，文中基于DSP的液壓伺服控制系統(tǒng)，采用TI公司 TMS320F2812 DSP芯片, 對(duì)經(jīng)典的PID 增量算法實(shí)現(xiàn)伺服控制進(jìn)行了探討。1 系統(tǒng)模型 液壓伺服控制系統(tǒng)根據(jù)控制參數(shù)的不同，可以分為位置、速度、加速度和力控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制器將給定的控制信號(hào)與檢測(cè)的位置信號(hào)進(jìn)行比較，輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)再經(jīng)放大器放大來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電液伺服閥的控制。液壓缸的位移信號(hào)通過(guò)傳感器檢測(cè)及A/D轉(zhuǎn)換反饋到控制器中，通過(guò)控制器的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，將處理的結(jié)果再傳送到電液伺服閥上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的閉環(huán)控制

3、。 高質(zhì)量的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能關(guān)鍵依賴(lài)伺服控制器。實(shí)現(xiàn)給定算法的處理器必須有足夠快的計(jì)算速度，以保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。因此對(duì)伺服控制器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的要求相當(dāng)高。DSP因其對(duì)信號(hào)的高速處理能力，不斷的在高速伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用。2 硬件系統(tǒng) TI公司的基于DSP的TMS320C2000系列芯片在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在此以TMS320F2812為例實(shí)現(xiàn)電液伺服閥的數(shù)字式控制應(yīng)用。電液伺服控制器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2所示。圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖 TMS320F2812芯片是定點(diǎn)32位數(shù)字信號(hào)處理器，主頻150MHz,處理性能高達(dá)150MPIS?？刂破鞔篌w分三個(gè)部分： DSP模塊處理器部分、外設(shè)通

4、信接口和信號(hào)處理部分。其主要資源和性能指標(biāo)如下：（1） 低功耗，采用1.8V內(nèi)核電壓和3.3V外圍接口電壓。（2） 128K內(nèi)部FLASH,18K內(nèi)部SARAM,外擴(kuò)1M統(tǒng)一編址存儲(chǔ)器。尋址空間可達(dá)4M。（3） 雙事件管理器EVA、EVB,使控制更為靈活。（4） 具有SCI口、SPI口及PROFIBUS-DP總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)通信。（5） 16信道的12位A/D接口可靈活設(shè)置采樣方式。（6） 數(shù)據(jù)輸出采用16位低功耗數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。（7） 采用JTAG 接口在線(xiàn)仿真和程序升級(jí)。3 軟件系統(tǒng) 伺服控制器的功能實(shí)際上是由其內(nèi)部的軟件決定的。軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)采用TI公司開(kāi)發(fā)工具code composer

5、 Studio&ampTM,通過(guò)伺服控制器上的JTAG接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制算法編程和MATLAB在線(xiàn)仿真.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功能:控制系統(tǒng)的同步控制和實(shí)時(shí)顯示;控制模式和算法選擇;系統(tǒng)自檢和標(biāo)定、控制曲線(xiàn)擬合和在線(xiàn)人工給定1。對(duì)于伺服控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，整個(gè)系統(tǒng)控制品質(zhì)的高低取決于程序中的控制算法。因此選擇合適的控制算法對(duì)控制器至關(guān)重要。 DSP控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量。因此連續(xù)PID控制算法不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。設(shè)計(jì)算機(jī)的取樣時(shí)間為T(mén)，以一系列取樣時(shí)刻點(diǎn)kT代替連續(xù)時(shí)間T，以和式代替積分，以增量代替微分，可得到數(shù)字PID的關(guān)系式

6、如下式1：【2】 （1） 用e(k)代替e(kT),k為取樣序號(hào)，k=0,1,2,。式中：e(k)-第k次取樣測(cè)得的設(shè)定值與反饋值的偏差； u(k)-PID調(diào)節(jié)器第k次的輸出值；KP-比例系數(shù)，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。為了獲得較好的控制效果，必須對(duì)數(shù)字PID控制器參數(shù)KP 、KI 、KD進(jìn)行整定，實(shí)際上是通過(guò)控制器的鍵盤(pán)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整設(shè)置。 在PID智能控制器中，如何實(shí)現(xiàn)PID控制是關(guān)鍵。這里采用增量式PID控制算法進(jìn)行控制。 增量式PID控制算法的表達(dá)式如下式2： （2） 式中：- 比例放大系數(shù)-積分系數(shù)-微分系數(shù)-第k次取樣的偏差值 -PID控制器第k次輸出值 -第k次相對(duì)于第k-1次的控

7、制量的增量。 增量式PID控制算法在控制過(guò)程中，每次輸出的控制值只是控制的增量，執(zhí)行器每次的變化量相對(duì)較小，控制系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，能及時(shí)的處理伺服系統(tǒng)的偏差，因此這種算法比較適合伺服控制系統(tǒng)的要求。上述控制算法可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制。 4 機(jī)械系統(tǒng) 現(xiàn)以閥控缸為例對(duì)伺服閥輸入電信號(hào)和執(zhí)行元件位移整個(gè)系統(tǒng)建模。其機(jī)械系統(tǒng)如下示意圖3所示。圖3 伺服閥示意圖 該系統(tǒng)是用線(xiàn)性力馬達(dá)實(shí)現(xiàn)滑閥驅(qū)動(dòng)并形成閥控缸的動(dòng)作，電液壓伺服閥是將微弱的控制電流i通過(guò)變換器形成高油壓。伺服閥主要采用力反饋方式，噴嘴和擋板機(jī)構(gòu)形成的壓差加到滑閥，該滑閥動(dòng)作將壓力差轉(zhuǎn)換為液壓油缸的動(dòng)作壓力。設(shè)伺服閥對(duì)應(yīng)的輸入電流i，液

8、壓油缸的輸出位移為x時(shí)，傳遞函數(shù)如下式所示： (3) 式(3)中，KC是電流與位移的變換系數(shù)。n 、 是由伺服閥特性決定的固有頻率和阻尼比。由傳遞函數(shù)可知執(zhí)行元件位移能夠由帶反饋的控制器精確控制并響應(yīng)。 5 主要應(yīng)用 下圖4所示為一種液壓伺服系統(tǒng)的應(yīng)用框圖。它由數(shù)控裝置、電液伺服閥、液壓缸或液壓馬達(dá)、液壓泵站等組成。控制器發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)電流，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大給線(xiàn)性力馬達(dá)，線(xiàn)性力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓閥滑芯控制系統(tǒng)出油壓，從而控制執(zhí)行元件。同時(shí)執(zhí)行元件位移反饋給控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。 圖4 系統(tǒng)應(yīng)用框圖6 結(jié)束語(yǔ)隨著液壓傳動(dòng)控制性能要求的提高，控制方案的選擇變的越來(lái)越關(guān)鍵，逐步形成了由數(shù)字控制代替模擬控制的局面?；贒SP的液壓伺服控制系統(tǒng)正在被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn):1 岳光, 黃慶學(xué),張華君,柏林. 基于DSP-TMSF2812矯直機(jī)伺服控制