1.2　电液伺服控制器

1.2.1　电液伺服控制器概述

由于伺服阀马达线圈匝数较多，具有很大的感抗，所以伺服放大器必须是具有深度电流负反馈的放大器。只有极少响应较慢的系统才用电压反馈的放大器。电流负反馈放大器输出阻抗比较大，放大器和伺服阀线圈组成了一个一阶滞后环节，输出阻抗大，那么这个一阶环节的频率高，对伺服阀的频带就不会有太大的影响。不同的伺服系统对伺服放大器有各种不同的要求，例如不同的校正环节，不同的增益范围及其他功能。但为了确保伺服阀的正常使用，阀对放大器还提出：放大器要带有限流功能，确保放大器最大输出电流不至于烧坏线圈或不至于引起阀的其他失败。伺服阀应能耐受2倍额定电流的负荷。

要有一个输出调零电位器，因为伺服阀一般容许2%的零偏，及工况不同的零漂，在伺服阀寿命期内零偏允差可到5%～6%，所以调零机构要可调1%的额定电流输出值，某些伺服阀和系统还要求放大器带有颤振信号发生电路。

输出端不要有过大的旁路电容或泄漏电容，避免与伺服阀线圈感抗一起产生不希望的谐振。

伺服阀线圈与放大器的连接，推荐并联接法，此法可靠性高而且具有最小的电感值。

电液伺服控制器包括误差比较器、校正放大器、反相及增益控制、功率放大器、颤振信号源、显示器、电源等。

某电液伺服控制系统结构原理如图1-21所示。

由图1-21可以看出，电液伺服控制器的主要功能是将电液控制系统的力矩信号和角位置信号进行调理送入计算机的A/D，同时将计算机D/A输出的控制信号（伺服阀控制信号）进行转换和放大，去驱动伺服阀按要求运动。系统的特点如下。

①力矩传感器感受的力矩信号比较微弱，输出信号为毫伏级，经过传输线后进入调理电路引入很大干扰，故除了对其功率放大和调零外，另加入滤波电路。

②为了保证电液伺服控制器的可扩展性，还设计了标准输入和标准输出接口。

③配置了显示仪表以实现实时监测电液伺服系统工作情况的目的。

在此以电液伺服阀FF102驱动放大电路、显示电路及位移传感器调理电路为例介绍其结构原理。

1.2.2　电液伺服阀驱动电路

驱动模块是电液伺服阀驱动电路的核心，它由第一级仪表运算放大器AD622AN和第二级功率运算放大器LH0041组成。电液伺服阀驱动电路的要求在D/A1端加-10～10V的电压，A B端（接电液伺服阀）输出-40～40mA的电流信号。

第二级功率运算放大器LH0041的使用原理：图1-22为电液伺服阀驱动电路图。电液伺服阀作为驱动的负载，其线圈具有电感而非纯电阻阻抗，所以流过线圈的电流将不与加在其两端的电压，即放大器的输出电压成正比。为了使控制电流正比于输入电压，采用电阻R-S107与电液伺服阀控制线圈串联，并将其上电压与经过电阻R-ST1反馈到放大器输入端，因为反馈电压是由电流产生的，故为电流负反馈。

1.2.3　电液伺服阀电流显示电路

电流式模拟表头电路（见图1-23）直接把电流式模拟表头串联在电路中，在采样电阻的位置换上电流式模拟表头。

要用一个模拟表头显示两路电液伺服阀的电流，也需要加入通道选择电路。通道选择电路的功能是：当测量电液伺服阀的电流以电流式模拟表头串联在电液伺服阀的电路中，电液伺服阀二的相应部分短接；同理要测量电液伺服阀二的电流时把电流式模拟表头串联在电液伺服阀电路中，电液伺服阀的相应部分短接。

实现此功能的通道选择电路如图1-23所示，K1、K2、K3、K4为同一继电器的4个双置开关，当K1打到1，K2打到3，K3打到5，K4打到7时，电流式模拟表头测量电液伺服阀一的电流，电液伺服阀二相应测量部分为短接。

采用电流式模拟表头的显示电路使输入驱动电压与电液伺服阀输出电流保持了比例关系，提高了显示电液伺服阀电流的精度和线性度。

1.2.4　传感器调理电路

位移传感器数据一般不能直接用来显示，通过调理电路才能显示。调理电路是采用仪表放大器AD622AN，它是一种低功耗、高精度的仪表放大器，其放大倍数可以达到2～1000，其次AD622AN使用更方便，只要在1、8之间加一可变电阻，就可以改变其增益（不接电阻时增益为1），调理电路如图1-24所示。

1.2.5　基于DSP的电液伺服驱动器

随着技术的不断进步，电液伺服驱动器朝着数字化、集成化方向的发展，采用高性能的处理器来完成其控制功能成为一个主流趋势。为了消除阀的非线性特性和提高伺服控制输出电流的精度，控制输出采用高精度D/A转换器和V/I转换电路实现，不仅能保证输出精度，还有利于后期软件拟合直接消除阀的非线性特性。考虑到阀响应速度要求较高，需要引入振颤信号消除阀静摩擦力以提高其频响品质，采用软件直接输出的办法实现振颤信号的叠加，振颤信号的频率及幅度可以用软件灵活配置。

（1）总体概况

某二自由度液压转台的电液伺服控制驱动器，要保证转台的角位移范围为-45°～45°，误差不大于1°。伺服控制驱动有两个控制通道和一个扩展通道，伺服线圈的电流输出电流范围为-40～40mA，误差不超过0.5mA。

为了实现以上指标，伺服放大器采用嵌入式架构，其原理框图及其与执行单元的原理如图1-25所示。

伺服放大器可扩充为三通道，由于第3通道原理和1和2通道一致，图1-25中未给出。该伺服放大器的微处理器采用德州仪器的高性能定/浮点DSP-TMS320F28335。该DSP150MHz的主频及强大的数字信号处理能力保证了控制系统的实时性，其高性能的内置12bit AD转换保证了反馈信号的精度。电液伺服驱动主要由DSP核心板、电源模块、通信模块、12bit D/A、V/I变换和电流反馈组成，其中控制电流反馈信号可送回给DSP的A/D监控输出量。电源模块为整个系统提供能源，通信模块实现命令的发送和对系统的监控，D/A、V/I、DSP核心板和电流反馈构成一个闭环控制系统，实现对输出电流的精确控制。

（2）硬件方案

①DSP核心板　为了保证数据融合算法的实时性，选取了TI公司的TMS320F28335作为控制CPU。DSP核心板包括DSP芯片、JTAG调试模块、AD参考电压模块和与之相连的供电电路等部分。核心板的输入电压为5V，而TMS320F28335的核心电压为1.8V，I/O的电压为3.3V，所以在核心板上应该有一个电压转换的电路，实现对芯片的供电。采用TI公司的TPS767D301，该芯片带有可单独供电的双路输出，一路固定输出电压为3.3V，另一路输出电压可以调节，范围为1.5～5.5V。这种调整主要是通过外接一个电阻采样网络来实现的。其具体电路如图1-26所示。

AD参考电压模块通过MAX6021A芯片将供电模块输出的3.3V的电压转换为2.048V，为芯片的AD模块提供参考电压，并且提供了16路AD转换接口，可用于电流反馈信号的采集，电路如图1-27所示。

JTAG调试模块通过外部晶振为芯片提供时钟信号，并引出JTAG接口，实现程序的调试和烧写。电路如图1-28所示。此外，核心板还引出了120个接口，这120个引脚是复用的引脚，以便在该系统中实现上位机与控制器的UART通信、DSP与MAX532芯片的SPI通信和限位信号输入。

②电源模块　控制器的构成比较复杂，电源模块要提供多种不同的电源。核心板、AS1117-3.3和75179需要5V的供电。通信模块的MAX3232需要3.3V电源，MAX532、LM358、REF102、OP07和AD620需要±15V电源。UNL2003、DC-DC和LM2576HV-ADJ需要24V电源，MAX532需要10V的基准电压。供电模块结构框图如图1-29所示。在此采用由220V AC直接供电的朝阳电源模块来解决电源问题。具体方案为：采用220V AC转24V/1A的4NIC-X24来提供24V的电源。±15V、5V、3.3V的电源通过构建电路从24V逐步转换而得到。朝阳电源能将纹波控制在100mV以内，通过和转换电路的同时使用便可满足电路中的供电需求。

③D/A　D/A转换电路采用MAXIM公司的MAX532芯片。MAX532是一个双路串行输入的12bit D/A转换器，数据传输速度为6MHz的三线SPI接口，15V双极供电，±10mA输入电流，最低转换时间可低至2.5μs。MAX532通过SPI接口接收核心板的数据，并将其转化为相应的电压信号，电路图如图1-30所示。

图1-30中SCLK是时钟信号输入，DIN是SPI数据的传输，CS1是SPI的片选信号，LDAC为低电平时才能进行AD转换，VOUTA和VOUTB是两路模拟信号的输出，10V的基准电压由REF102芯片产生。

④V/I　由于所采用的Moog电液伺服阀，其输入电流范围为-40～40mA，而VOUTA的电压范围为-10～0V。所以先通过LM358将电压调理到-10～10V，再进行V/I转换，V/I转换电路如图1-31所示。

经LM358调理后的电压信号从V_DAC1输入。输入电压为正的瞬间，负端信号依然为零，OP07正、负输入端存在一个电位差，并且这个电位差足够大，使运放OP07输出端的输出达到正的饱和状态，即6端口为正电位。此电位造成Q_{1_1}处于放大状态，而Q_{1_2}处于截止状态。从而产生一个从I1-输出负载的电流，R_{1_1}得到一个电位，使电路处于一个稳定的状态。输入电压为负时，端口6为负电位，Q_{1_2}处于放大状态，Q_{1_1}截止，产生相反的电流。在电路中，两个二极管的作用是提供一定的压降，从而使两个三极管在静态时均处于微导通状态。这样两个三极管均工作在甲乙类状态，静态工作点较高，可以有效避免三极管由于死区电压的存在而造成的交越失真现象。在稳定工作状态时，OP07的正反输入端电压相等，取P1=800Ω，当V_DAC=10V，则：

同理可知当V_DAC=-10V时：

I+在-40～40mA之间，满足要求。

⑤电流反馈　电流通过电阻R₂₂₅时将电流转换为电压，利用AD620和LM358进行电压调理到0～3V，以便DSP进行采集。其原理如图1-32所示。

电流I1+的范围为-40～40mA，调理后的电压值计算公式如下：

V_{DSP_AD61}=（I1+）×R₂₂₅　　        （1-12）

　　        （1-13）

取R₂₂₅=25Ω，R₂₃₈=20kΩ，R₂₃₇=2kΩ，R₂₃₉=2kΩ，由式（1-12）和式（1-13）可以得到输出电压范围为0～2V，DSP的AD采集范围为0～3V，可以对输出电压进行采集。

⑥通信模块　通信模块包括RS-232和RS-422两种串口通信。RS-232用于驱动电路的调试，RS-422用于实际应用。MAX3232带有两个接收器和两个驱动器，工作在高数据速率下仍能保持RS-232电平的输出，所以采用MAX3232作为RS-232驱动芯片，实现TTL电平到RS-232电平的转换。SN75179芯片以满足RS-422标准，可将TTL电平转换为RS-422电平，并在可提升总线传输距离情况下，实现全双工数据传输，采用该芯片实现RS-422通信，能满足通信要求。

（3）软件颤振的实现

颤振信号能够有效提高伺服阀的灵敏度，减少伺服阀卡堵概率，改善阀的控制性能，所以伺服阀驱动采用颤振信号改善控制性能。

颤振信号产生有硬件和软件两种方法。硬件方法需要设计相关的电路，而且颤振信号的幅值和频率不易调节，所以通过软件实现频率为400Hz小幅颤振信号发生。将一个正弦信号离散为20点，在单位正弦信号上，每隔0.05个周期取一个点。因为信号频率为400Hz，所以每两个点的时间为：

T=（1/f）（1/N）=（1/400）×（1/20）（s）=0.125ms

通过DSP的定时器，每隔0.125ms通过SPI发送对应点与颤振信号幅值的乘积，每20个点循环一次。最后，在输出的电流中可以得到400Hz小幅值的正弦信号。

（4）仿真试验

为了降低实验的风险，进行实物在回路仿真实验。通过RS-232串口线将控制器与PC机进行连接，用一个阻值与负载阻值一致的电阻代替负载。连接好后上电，并烧写程序，运行PC机上的监控软件，PC机发出命令，观察试验结果。

①通过上位机给定控制器输出电流从最小值到最大再回到最小　从输出电流为-40mA至输出电流为40mA，再回到-40mA，在两个输出端得到的实际电流如图1-33（a）所示。图1-33（a）中，upI为电流由-40～40mA变化时的实际电流；downI为电流由40～-40mA变化时的实际电流。由图1-33（a）可知：upI和downI的电流基本重合，说明系统拥有很好的重合度。由图1-33（b）可知：给定电流和输出电流误差最大为0.4mA，满足试验要求。

②通过电流反馈得到输出端的电流　

颤振的实验结果如图1-34所示。

图1-34中，real I为实际的电流输出，Given I为上位机的给定值。由该图可知：真实的颤振信号与理想的信号在幅值最大误差为0.35，频率与理想信号一致为400Hz，满足要求。

③结论　控制器的通信模块和电液伺服阀驱动模块都满足要求；系统能够精确地采集反馈电流，能够对输出电流精确地控制；系统能够产生要求的阀颤振信号；电液伺服驱动满足要求。

1.2.6　电液伺服系统嵌入式数字控制器

（1）数字式电液伺服装置

数字式电液伺服装置由基于嵌入式伺服放大器的电液伺服阀、嵌入式控制器、角位置传感器、伺服阀诊断与动压反馈集成块、液压系统等部分组成。电液伺服装置的液压系统见图1-35。

双联泵3由电动机1驱动，液压泵压出的油液经精过滤器8到电液伺服阀9。系统的压力由溢流阀6.1调定。当系统的压力达到卸荷阀5的控制压力（大约低于溢流阀6.1的调定压力0.3MPa）时，卸荷阀5接通油路，双联泵3的第一级泵压出的油流回油箱。如果系统的压力下降至比溢流阀6.1的调定压力大约低0.5MPa时，卸荷阀5关闭，双联泵的第一级又自动恢复向系统供油。电液伺服阀9根据输入信号的大小来控制工作缸11的动作。伺服阀输出油口前装有一对液控单向阀10，当系统压力意外失落时，单向阀10关闭工作缸进出口油路，液压缸的活塞被油液锁住，与之连接的输出轴则在原位不动，防止系统产生误动作。

在电动机1关闭时，该系统能用手动泵17人工泵油以驱动工作缸动作，其动作方向由三位四通手动换向阀16确定。

（2）嵌入式控制器的功能和特点

对象和负载的变化会导致液压控制系统参数和结构的变化，而传统的模拟液压伺服装置调整范围有限，无法实现复杂的现场整定，因此其控制器只能是一种根据不同对象而专门设计、任务专一、缺乏柔性硬件，因此使用不便，维护困难，这种状况严重地阻碍了液压伺服系统的普及应用。

嵌入式数字控制器组成见图1-36。嵌入式数字控制器的功能和特点如下。

①数字式、一体化采用嵌入式计算机和嵌入式操作系统VxWorks，实现了伺服控制器的数字化及与伺服装置的一体化。

②工作模式具有程序控制和微压力反馈控制模式两种任选模式。

③柔性设置可实现面向用户的分段程序设定、数字PID设定、工作模式设定、传感器设定、斜坡时间设定等功能。

④控制算法具有数字PID、神经网络PID算法、模型跟踪算法、滞环补偿算法和数字滤波算法。

⑤远程数据通信具有工业以太网和PORFIBUS通口，可实现车间级和厂级的网络控制。

⑥自诊断具有跟踪精度自动测试、阀诊断、通道诊断等自诊断功能，诊断结果可通过工业网络实现远程传送。

（3）硬件配置

嵌入式数字控制器的硬件平台为EC3154ICIDNA型单板机，该单板机CPU采用美国国民半导体公司的低功耗整合型处理器GeodeGX1。GeodeGX1运行时不用散热风扇，提高了系统的稳定性和可靠性。单板机主频为200MHz，具有128MBRAM，16MB DiskonChip电子盘。利用该单板机已有的PC/104总线，可以扩充PC/104总线的数据采集模块HT-7484。

①嵌入式数字控制器数据采集模块指标

a.A/D性能。单端16路A/D；转换时间为10s；12位A/D分辨率，转换芯片是AD774；单极性时输入量程为0～5V或0～10V；双极性时输入量程为±2.5V、±5V、±l0V，软件查询工作方式。

b.D/A性能。独立4路输出；输出信号范围为0～5V或0～10V，±5V，±10V。D/A转换分辨率：12位，转换芯片是DAC7625；D/A转换时间≤1s，电流输出方式，负载能力为4～20mA/路。

c.DI/DO性能。16路TTI电平开关量输入/输出，范围是0～5V。

②通信接口　嵌入式数字控制器的通信接口是利用西门子的ASPC3实现了PROFIBUS DP现场总线接口；Realtek的网络芯片RTI8139实现工业以太网接口。RTI8139芯片遵循IEEE802.3标准协议，它集成了介质访问控制子层（MAC）和物理层的功能，可以方便地和MCU系统进行接口。

（4）软件操作系统

嵌入式控制器的操作系统选用VxWorks。其主要组成部分为：实时操作系统内核、I/O系统、文件系统、板级支持包、网络设施、目标代理和实用库。

VxWorks嵌入式操作系统是一个高性能、可裁减的实时操作系统。它具有支持包括x86、POWERPC、SPARC、ARM、MIPS等几乎所有流行的CPU，适用于不同的硬件平台，支持应用程序的动态链接和动态下载，适用于恶劣的运行环境等特点。VxWorks的微内核Wind是一个具有较高性能的、标准的嵌入式实时操作系统内核，其主要特点包括：快速多任务切换、抢占式任务调度、任务间通信手段多样化等。该内核具有任务间切换时间短、中断延迟小、网络流量大等特点，与其他嵌入式实时操作系统相比具有一定的优势。VxWorks对其他网络和TCP/IP网络系统的“透明”访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口，远程过程调用（RPC），SNMP，远程文件访问以及B（X）TP和ARP代理。

（5）嵌入式数字控制器的软件模块及功能

软件设计采用自顶向下的层次结构法和自底向上的程序编制法。层次结构的关系是一种树状结构的从属关系，即上层模块拥有控制下层模块的执行权。它包括主程序块、控制程序块、监测程序块、阀诊断程序块。通过面向用户的触摸式程序界面，分别可以实现“微压差控制及工艺矩阵设置”“程序控制及目标曲线设定”“PID参数设置”“控制算法选择”“传感器选择设置”“斜坡设定”“伺服阀特性自诊断”“位置跟踪特性自诊断”“通道测试”等功能。功能界面如图1-37所示。