基于DSP的高速液压伺服系统设计及应用研究

1、基于DSP的高速液压伺服系统设计及应用研究 摘要：该文介绍了基于DSP的高速液压伺服系统的设计、建模及应用。关键词：DSP、伺服控制器、算法、伺服阀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 近年电液伺服控制技术的发展非常迅速，覆盖从民用机械到国防工业，以及冶金重工等关键国民经济

2、领域。本文从液压伺服系统层面对电液伺服控制技术进行了探讨，文中基于DSP的液压伺服控制系统，采用TI公司 TMS320F2812 DSP芯片, 对经典的PID 增量算法实现伺服控制进行了探讨。1 系统模型 液压伺服控制系统根据控制参数的不同，可以分为位置、速度、加速度和力控制系统。其系统结构图如下图1所示。图1 系统结构图 控制器将给定的控制信号与检测的位置信号进行比较，输出信号经D/A转换器转换成模拟信号再经放大器放大来实现对电液伺服阀的控制。液压缸的位移信号通过传感器检测及A/D转换反馈到控制器中，通过控制器的软件对数据进行分析和处理，将处理的结果再传送到电液伺服阀上，实现了系统的闭环控制

3、。 高质量的液压执行机构的性能关键依赖伺服控制器。实现给定算法的处理器必须有足够快的计算速度，以保持系统实时性的要求。因此对伺服控制器的硬件系统和软件系统的要求相当高。DSP因其对信号的高速处理能力，不断的在高速伺服系统中得到应用。2 硬件系统 TI公司的基于DSP的TMS320C2000系列芯片在工业中得到广泛应用。在此以TMS320F2812为例实现电液伺服阀的数字式控制应用。电液伺服控制器硬件系统结构如下图2所示。图2 控制器硬件结构图 TMS320F2812芯片是定点32位数字信号处理器，主频150MHz,处理性能高达150MPIS。控制器大体分三个部分： DSP模块处理器部分、外设通

4、信接口和信号处理部分。其主要资源和性能指标如下：（1） 低功耗，采用1.8V内核电压和3.3V外围接口电压。（2） 128K内部FLASH,18K内部SARAM,外扩1M统一编址存储器。寻址空间可达4M。（3） 双事件管理器EVA、EVB,使控制更为灵活。（4） 具有SCI口、SPI口及PROFIBUS-DP总线网络接口与上位机通信。（5） 16信道的12位A/D接口可灵活设置采样方式。（6） 数据输出采用16位低功耗数/模转换器。（7） 采用JTAG 接口在线仿真和程序升级。3 软件系统 伺服控制器的功能实际上是由其内部的软件决定的。软件开发设计采用TI公司开发工具code composer

5、 Studio&ampTM,通过伺服控制器上的JTAG接口对系统进行控制算法编程和MATLAB在线仿真.系统软件设计功能:控制系统的同步控制和实时显示;控制模式和算法选择;系统自检和标定、控制曲线拟合和在线人工给定1。对于伺服控制系统来说，控制器是整个系统的核心部件，整个系统控制品质的高低取决于程序中的控制算法。因此选择合适的控制算法对控制器至关重要。 DSP控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量。因此连续PID控制算法不能直接使用，必须进行离散化处理。设计算机的取样时间为T，以一系列取样时刻点kT代替连续时间T，以和式代替积分，以增量代替微分，可得到数字PID的关系式

6、如下式1：【2】 （1） 用e(k)代替e(kT),k为取样序号，k=0,1,2,。式中：e(k)-第k次取样测得的设定值与反馈值的偏差； u(k)-PID调节器第k次的输出值；KP-比例系数，为积分系数，为微分系数。为了获得较好的控制效果，必须对数字PID控制器参数KP 、KI 、KD进行整定，实际上是通过控制器的键盘进行参数的调整设置。 在PID智能控制器中，如何实现PID控制是关键。这里采用增量式PID控制算法进行控制。 增量式PID控制算法的表达式如下式2： （2） 式中：- 比例放大系数-积分系数-微分系数-第k次取样的偏差值 -PID控制器第k次输出值 -第k次相对于第k-1次的控

7、制量的增量。 增量式PID控制算法在控制过程中，每次输出的控制值只是控制的增量，执行器每次的变化量相对较小，控制系统相对稳定，能及时的处理伺服系统的偏差，因此这种算法比较适合伺服控制系统的要求。上述控制算法可通过编程实现对伺服系统的控制。 4 机械系统 现以阀控缸为例对伺服阀输入电信号和执行元件位移整个系统建模。其机械系统如下示意图3所示。图3 伺服阀示意图 该系统是用线性力马达实现滑阀驱动并形成阀控缸的动作，电液压伺服阀是将微弱的控制电流i通过变换器形成高油压。伺服阀主要采用力反馈方式，喷嘴和挡板机构形成的压差加到滑阀，该滑阀动作将压力差转换为液压油缸的动作压力。设伺服阀对应的输入电流i，液

8、压油缸的输出位移为x时，传递函数如下式所示： (3) 式(3)中，KC是电流与位移的变换系数。n 、 是由伺服阀特性决定的固有频率和阻尼比。由传递函数可知执行元件位移能够由带反馈的控制器精确控制并响应。 5 主要应用 下图4所示为一种液压伺服系统的应用框图。它由数控装置、电液伺服阀、液压缸或液压马达、液压泵站等组成。控制器发出的信号转换为模拟信号电流，再经驱动器放大给线性力马达，线性力马达驱动液压阀滑芯控制系统出油压，从而控制执行元件。同时执行元件位移反馈给控制器进行闭环控制。 图4 系统应用框图6 结束语随着液压传动控制性能要求的提高，控制方案的选择变的越来越关键，逐步形成了由数字控制代替模拟控制的局面。基于DSP的液压伺服控制系统正在被越来越广泛的应用。参考文献:1 岳光, 黄庆学,张华君,柏林. 基于DSP-TMSF2812矫直机伺服控制