張立娟，朱家廳，孟淑平，鄭 愨，左哲清

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

引言

在航空航天領(lǐng)域，小型化、高精度、高動(dòng)態(tài)的數(shù)字伺服閥需求量越來(lái)越大，由于直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、可靠性高、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，已經(jīng)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。而且直流無(wú)刷力矩電機(jī)具有體積小、重量輕、可靠性高、頻帶寬的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空伺服閥、機(jī)器人關(guān)節(jié)、激光掃描系統(tǒng)等領(lǐng)域中[4-6]。因此，本研究介紹了一種有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，并將其作為偏心撥桿數(shù)字伺服閥的執(zhí)行器[7-8]，設(shè)計(jì)了一種以STM32F103為控制核心的伺服控制驅(qū)動(dòng)器，并采用智能驅(qū)動(dòng)模塊及模擬霍爾位置傳感器等構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)體積小、頻帶寬、響應(yīng)快，具有廣泛的應(yīng)用前景[9]。

1 伺服系統(tǒng)總體方案

偏心撥桿閥位置伺服系統(tǒng)由有限轉(zhuǎn)角電機(jī)、以STM32為主控單元的控制驅(qū)動(dòng)器、LMD18200驅(qū)動(dòng)模塊、偏心撥桿數(shù)字伺服閥及位置傳感器等組成。系統(tǒng)組成及方案原理如圖1所示，虛線框圖內(nèi)為位置伺服系統(tǒng)，STM32主控單元對(duì)給定跟蹤軌跡和電機(jī)實(shí)際位置進(jìn)行分析，采用集成模塊LMD18200的單極性H型模式驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，而電機(jī)通過(guò)軸端部的偏心球與滑閥的閥芯進(jìn)行連接，因此將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字閥閥芯的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。伺服控制系統(tǒng)通過(guò)CAN和串口RS232與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的軌跡跟蹤狀態(tài)。有限轉(zhuǎn)角電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心撥桿數(shù)字伺服閥的機(jī)械原理圖如圖2所示，系統(tǒng)將有限轉(zhuǎn)角電機(jī)、數(shù)字閥和控制驅(qū)動(dòng)器合理布置，大大縮小了體積，使得整個(gè)系統(tǒng)更加產(chǎn)品化。

圖1 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)位置伺服系統(tǒng)

圖2 伺服系統(tǒng)機(jī)械原理圖

系統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)是電機(jī)精確跟蹤給定的正弦波位置信號(hào)，以保證數(shù)字閥閥芯穩(wěn)定的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而精確控制液壓油路的開(kāi)啟和關(guān)閉。所選用的電機(jī)為有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)，并通過(guò)機(jī)械限位將轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制在為-20°～20°范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制驅(qū)動(dòng)器硬件部分由ARM最小系統(tǒng)、電源模塊、信號(hào)處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊等組成?？刂乞?qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的目標(biāo)任務(wù)是控制精度高、體積小，因此元器件選型和硬件電路設(shè)計(jì)非常重要。ARM控制系統(tǒng)的核心是STM32F103RET6，完成指令位置信號(hào)的生成、實(shí)際位置和電流信號(hào)的A/D采樣、控制算法的運(yùn)算、PWM信號(hào)的生成及上位機(jī)通訊等。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的芯片LMD18200是專(zhuān)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的集成電路芯片，內(nèi)部集成4個(gè)DMOS管，組成標(biāo)準(zhǔn)的H橋驅(qū)動(dòng)橋，可實(shí)現(xiàn)PWM控制、方向控制、過(guò)熱報(bào)警和自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)等。其主要提供雙極性和單極性驅(qū)動(dòng)方式，在雙極性驅(qū)動(dòng)方式下，同一橋臂的2個(gè)開(kāi)關(guān)管容易出現(xiàn)直通現(xiàn)象，引起短路，因此選用單極性驅(qū)動(dòng)方式。LMD18200內(nèi)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(chǎn)的模擬霍爾傳感器SS495A，其輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，因此電機(jī)軸位置信號(hào)輸出為線性電壓信號(hào)。在偏心撥桿數(shù)字伺服閥使用的過(guò)程中，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為±20°，霍爾式角位移傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置反饋給CPU，計(jì)算出偏差信號(hào)，產(chǎn)生占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出角度的精確閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分是基于編譯軟件Keil4進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)。位置伺服控制系統(tǒng)采用位置、電流雙閉環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)，控制系統(tǒng)的最終目標(biāo)是動(dòng)態(tài)性高、分辨率高，因此控制閥芯的移動(dòng)即電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)成為控制目標(biāo)的關(guān)鍵。為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及正弦軌跡跟蹤的準(zhǔn)確性，控制算法除采用增量式PID外，還引進(jìn)了速度和加速度前饋、反電勢(shì)補(bǔ)償、雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略，使得系統(tǒng)的幅頻特性大幅度提高[10-11]。

3.1 給定信號(hào)的生成

給定位置信號(hào)的生成在軟件中采用STM32內(nèi)部的定時(shí)器TIM，DMA和DAC模塊生成，通過(guò)ADC將數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行運(yùn)算。由定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，每當(dāng)出現(xiàn)定時(shí)器更新事件時(shí)，由DMA運(yùn)送新的數(shù)據(jù)到達(dá)DAC的寄存器，DAC輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的DAC轉(zhuǎn)換，就能輸出一個(gè)連續(xù)的模擬正弦波數(shù)據(jù)，且頻率、幅值可調(diào)。

3.2 位置環(huán)前饋補(bǔ)償控制策略

前饋控制可以提前根據(jù)系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)器的偏差變化趨勢(shì)對(duì)實(shí)際的響應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。為改善位置環(huán)高頻正弦相位滯后問(wèn)題，采用加入一階和二階導(dǎo)數(shù)的前饋控制量,一階導(dǎo)數(shù)的前饋控制量能夠補(bǔ)償控制系統(tǒng)的速度誤差；二階導(dǎo)數(shù)的前饋控制量能夠補(bǔ)償控制系統(tǒng)的加速度誤差，改善了位置環(huán)相位滯后問(wèn)題，如圖4所示[12]。

圖4 前饋補(bǔ)償控制策略

3.3 反電勢(shì)補(bǔ)償控制策略

由于電機(jī)在零位的轉(zhuǎn)速變化最大,速度的波動(dòng)引起了反電勢(shì)變化,因此對(duì)電流環(huán)產(chǎn)生了影響，造成了加速度精確度下降。為了解決電流畸變問(wèn)題,采用反電勢(shì)補(bǔ)償策略,如圖5所示。反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償方式采用在電流環(huán)調(diào)節(jié)器后加入一個(gè)反電勢(shì)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，在很大程度上提高了電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖5 反電勢(shì)補(bǔ)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(huán)采集精度及帶寬是影響位置環(huán)穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵,而在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中,制約電流環(huán)帶寬的因素主要包括功率器件PWM的開(kāi)關(guān)頻率、A/D采樣時(shí)間、計(jì)算處理、PWM占空比更新等。在不改變功率器件開(kāi)關(guān)頻率的前提下擴(kuò)展電流環(huán)的帶寬很有必要，因此,通過(guò)采用雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略來(lái)拓展電流環(huán)帶寬,進(jìn)而提高偏心撥桿閥位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

圖6為雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新時(shí)序框圖,通過(guò)采用此策略,每個(gè)載波周期內(nèi)電流環(huán)調(diào)節(jié)器的運(yùn)算次數(shù)增加?？梢酝ㄟ^(guò)使用定時(shí)器下溢和周期中點(diǎn)2個(gè)中斷來(lái)觸發(fā)雙次采祥和雙次PWM占空比更新,以便對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)即時(shí)檢測(cè),進(jìn)一步減小控制延時(shí),提高系統(tǒng)相角裕度，電流環(huán)頻響提高直接改善了位置控制的響應(yīng)能力。

圖6 雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)位置跟蹤測(cè)試

控制驅(qū)動(dòng)器實(shí)物如圖7所示，為驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)有限轉(zhuǎn)角位置伺服系統(tǒng)原理樣機(jī)進(jìn)行了基本性能測(cè)試及靜、動(dòng)態(tài)跟蹤試驗(yàn)等。通過(guò)LabVIEW上位機(jī)觀察反饋結(jié)果并進(jìn)行分析，改善前、后的70 Hz正弦信號(hào)位置跟蹤曲線分別如圖8和圖9所示，采用前饋和反電勢(shì)補(bǔ)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(huán)帶寬。同時(shí)通過(guò)雙次電流采樣和雙次PWM占空比更新策略，改善了系統(tǒng)的靜態(tài)跟蹤性能，0.05 Hz正弦跟蹤曲線及電流環(huán)曲線如圖10所示，有效的提高了跟蹤精度和系統(tǒng)分辨率。

圖7 有限轉(zhuǎn)角電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)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(cè)試

針對(duì)小型化偏心撥桿數(shù)字閥進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)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(tài)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)均符合小流量數(shù)字閥的要求。

圖11 偏心撥桿數(shù)字閥空載流量曲線

圖12 偏心撥桿數(shù)字閥壓力特性曲線

圖13 偏心撥桿數(shù)字閥分辨率曲線

由于數(shù)字閥的動(dòng)態(tài)特性是由頻率特性反映的，因此通過(guò)動(dòng)態(tài)性試驗(yàn)裝置進(jìn)行了頻率特性的測(cè)量與分析，得出結(jié)果如表1所示，其中動(dòng)態(tài)性測(cè)試裝置由液壓能源、液壓缸、信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀等組成。通過(guò)輸入25%總幅值(±5°)和不同頻率的正弦電流，測(cè)試偏心撥桿閥動(dòng)態(tài)特性。

表1 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性表

表2列出了小型化偏心撥桿閥各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果與目標(biāo)的對(duì)比情況，各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果均滿足系統(tǒng)要求。

表2 偏心撥桿數(shù)字伺服閥測(cè)試結(jié)果(供油壓力24 MPa)

5 結(jié)論

本研究在傳統(tǒng)液壓伺服閥上進(jìn)行了創(chuàng)新，并設(shè)計(jì)了一種集成度高、體積小的有限轉(zhuǎn)角位置伺服控制驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)采用高性能STM32及智能驅(qū)動(dòng)模塊LMD18200等，解決了傳統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)器電路復(fù)雜、體積大、引腳功能浪費(fèi)等問(wèn)題，并運(yùn)用有效的軟件算法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)精確的位置控制。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證了控制驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到要求。