基于DSP的電液伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

于　兵，沈華旭

(江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016)

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基于DSP的電液伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

于兵*，沈華旭

(江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016)

摘要:采用TI公司的TMS320F28335設(shè)計(jì)了一種用于液壓轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制的驅(qū)動(dòng)器。為保證控制精度和實(shí)時(shí)性，采用DSP進(jìn)行控制和管理;采用MAX532D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高速高精度的模擬量輸出;設(shè)計(jì)了一種電壓/電流轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了控制電流輸出;為進(jìn)一步提高控制品質(zhì)，采用軟件模擬方法產(chǎn)生顫振信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該伺服控制驅(qū)動(dòng)能夠?qū)δM環(huán)境進(jìn)行快速而有效的控制。

關(guān)鍵詞:MAX532;顫振信號(hào); DSP;伺服控制驅(qū)動(dòng)

電液伺服控制技術(shù)具有響應(yīng)速度快及控制精度高等優(yōu)勢(shì)，是流體傳動(dòng)控制領(lǐng)域所廣泛使采用的技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電液伺服驅(qū)動(dòng)器也朝著數(shù)字化、集成化方向的發(fā)展，采用高性能的處理器來(lái)完成其控制功能成為了一個(gè)主流趨勢(shì)。為了消除閥的非線性特性和提高伺服控制輸出電流的精度，控制輸出采用高精度D/A轉(zhuǎn)換器和V/I轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)，不僅能保證輸出精度，還有利于后期軟件擬合直接消除閥的非線性特性?？紤]到閥響應(yīng)速度要求較高，需要引入振顫信號(hào)消除閥靜摩擦力以提高其頻響品質(zhì)，采用軟件直接輸出的辦法實(shí)現(xiàn)振顫信號(hào)的疊加，振顫信號(hào)的頻率及幅度可以用軟件靈活配置。

1　總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以某二自由度液壓轉(zhuǎn)臺(tái)的電液伺服控制驅(qū)動(dòng)器為總體需求，要求轉(zhuǎn)臺(tái)的角位移范圍為－45° ～45°，誤差不大于1°。伺服控制驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)控制通道和一個(gè)擴(kuò)展通道，伺服線圈的電流輸出電流范圍為－40 mA～40 mA，誤差不超過(guò)0.5 mA。

為了實(shí)現(xiàn)以上的設(shè)計(jì)指標(biāo)，伺服放大器采用嵌入式架構(gòu)，其原理框圖及其與執(zhí)行單元的原理圖如圖1所示，伺服放大器可擴(kuò)充為三通道，由于第3通道原理和1和2通道一致，圖1中未給出。該伺服放大器的微處理器采用德州儀器的高性能定/浮點(diǎn)DSP－TMS320F28335。該DSP150 MHz的主頻及強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，其高性能的內(nèi)置12 bit AD轉(zhuǎn)換保證了反饋信號(hào)的精度。電液伺服驅(qū)動(dòng)主要由DSP核心板、電源模塊、通信模塊、12 bit D/A、V/I變換和電流反饋組成，其中控制電流反饋信號(hào)可送回給DSP的A/D監(jiān)控輸出量。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能源，通信模塊實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送和對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控，D/A、V/I、DSP核心板和電流反饋構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。

圖1　伺服放大器硬件及執(zhí)行單元原理圖

2　硬件設(shè)計(jì)方案

2.1DSP核心板

為了保證數(shù)據(jù)融合算法的實(shí)時(shí)性，我們選取了TI公司的TMS320F28335作為控制CPU。DSP核心板包括DSP芯片、JTAG調(diào)試模塊、AD參考電壓模塊和與之相連的供電電路等部分［1］。核心板的輸入電壓為5 V，而TMS320F28335的核心電壓為1.8 V，I/O的電壓為3.3 V［2］，所以在核心板上應(yīng)該有一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換的電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的供電。我們采用TI公司的TPS767D301，該芯片帶有可單獨(dú)供電的雙路輸出，一路固定輸出電壓為3.3 V，另一路輸出電壓可以調(diào)節(jié)，范圍為1.5 V～5.5 V。這種調(diào)整主要是通過(guò)外接一個(gè)電阻采樣網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其具體電路如圖2所示［3］。

AD參考電壓模塊通過(guò)MAX6021A芯片將供電模塊輸出的3.3V的電壓轉(zhuǎn)換為2.048 V，為芯片的AD模塊提供參考電壓，并且提供了16路AD轉(zhuǎn)換接口，可用于電流反饋信號(hào)的采集。設(shè)計(jì)電路如圖3。

圖2　TMS320F28335芯片的電源供電

圖3　AD參考電壓模塊

JTAG調(diào)試模塊通過(guò)外部晶振為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，并引出JTAG接口，實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試和燒寫(xiě)。設(shè)計(jì)電路如圖4所示。此外，核心板還引出了120個(gè)接口，這120個(gè)引腳是復(fù)用的引腳，以便在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器的UART通信、DSP與MAX532芯片的SPI通信和限位信號(hào)輸入。

圖4　JTAG模塊

2.2電源模塊

由于控制器的構(gòu)成比較復(fù)雜，電源模塊需要提供多種不同形式的電源。核心板、AS1117－3.3和75179需要5 V的供電。通信模塊的MAX3232需要3.3 V電源，MAX532、LM358、REF102、OP07和AD620需要±15 V電源。UNL2003、DC－DC和LM2576HV－ADJ需要24 V電源，MAX532需要10 V的基準(zhǔn)電壓。供電模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

在此次設(shè)計(jì)中，采用由220 V AC直接供電的朝陽(yáng)電源模塊來(lái)解決電源問(wèn)題。具體方案為:采用220 V AC轉(zhuǎn)24 V/1 A的4NIC－X24來(lái)提供24 V的電源?！?5 V、5 V、3.3 V的電源通過(guò)構(gòu)建電路從24 V逐步轉(zhuǎn)換而得到。朝陽(yáng)電源能將紋波控制在100 mV以?xún)?nèi)，通過(guò)和轉(zhuǎn)換電路的同時(shí)使用便可滿(mǎn)足電路中的供電需求。

2.3D/A

D/A轉(zhuǎn)換電路采用MAXIM公司的MAX532芯片。MAX532是一個(gè)雙路串行輸入的12 bit D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)傳輸速度為6 MHz的三線SPI接口，15V雙極供電，±10 mA輸入電流，最低轉(zhuǎn)換時(shí)間可低至2.5 μs［4］。MAX532通過(guò)SPI接口接收核心板的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)［5］。電路圖如圖6所示。

圖5　供電模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖6　6D/A轉(zhuǎn)換電路

圖6中SCLK是時(shí)鐘信號(hào)輸入，DIN是SPI數(shù)據(jù)的傳輸，CS1是SPI的片選信號(hào)，LDAC為低電平時(shí)才能進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，VOUTA和VOUTB是兩路模擬信號(hào)的輸出，10 V的基準(zhǔn)電壓由REF102芯片產(chǎn)生［6］。

2.4V/I

由于所采用的Moog電液伺服閥，其輸入電流范圍為－40 mA～40 mA，而VOUTA的電壓范圍為－10 V～0 V。所以先通過(guò)LM358將電壓調(diào)理到－10 V～10 V，再進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換，V/I轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

圖7　V/I轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)LM358調(diào)理后的電壓信號(hào)從VDAC1輸入。輸入電壓為正的瞬間，負(fù)端信號(hào)依然為零，OP07正、負(fù)輸入端存在一個(gè)電位差，并且這個(gè)電位差足夠大，使運(yùn)放OP－07的輸出端的輸出達(dá)到正的飽和狀態(tài)，即6端口為正電位。此電位造成Q1_1處于放大狀態(tài)，而Q1_2處于截止?fàn)顟B(tài)。從而產(chǎn)生一個(gè)從I1－輸出負(fù)載的電流，R1_1得到一個(gè)電位，使電路處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。輸入電壓為負(fù)時(shí)，端口6為負(fù)電位，Q1_2處于放大狀態(tài)，Q1_1截止，產(chǎn)生相反的電流［7－8］。在電路中，兩個(gè)二極管的作用是提供一定的壓降，從而使兩個(gè)三極管在靜態(tài)時(shí)均處于微導(dǎo)通狀態(tài)。這樣兩個(gè)三極管均工作在甲乙類(lèi)狀態(tài)，靜態(tài)工作點(diǎn)較高，可以有效避免三極管由于死區(qū)電壓的存在而造成的交越失真現(xiàn)象。在穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，OP07的正反輸入端電壓相等，取P1=800 Ω，當(dāng)VDAC=10 V，則:

同理可知當(dāng)VDAC=－10 V時(shí):

I+在－40 mA～40 mA之間，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.5電流反饋

電流通過(guò)電阻R225時(shí)將電流轉(zhuǎn)換為電壓，利用AD620和LM358進(jìn)行電壓調(diào)理到0～3 V，以便DSP進(jìn)行采集。原理圖如圖8。

電流I1+的范圍為－40 mA～40 mA，調(diào)理后的電壓值計(jì)算公式如下:

取R225= 25 Ω，R238= 20 kΩ，R237= 2 kΩ，R239= 2 kΩ，由式(3)～式(4)可以得到輸出電壓范圍為0～2 V，DSP的AD采集范圍為0～3 V［9］，可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行采集。

圖8　電流反饋電路

2.6通信模塊

通信模塊包括RS232和RS422兩種串口通信。RS232用于驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試，RS422用于實(shí)際應(yīng)用。MAX3232帶有兩個(gè)接收器和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，工作在高數(shù)據(jù)速率下仍能保持RS－232電平的輸出，所以采用MAX3232作為RS－232驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS－232電平的轉(zhuǎn)換。SN75179芯片以滿(mǎn)足RS－422標(biāo)準(zhǔn)，可將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－422電平，并在可提升總線傳輸距離情況下，實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸［10］，采用該芯片實(shí)現(xiàn)RS－422通信，能滿(mǎn)足通信要求。

3　軟件顫振的實(shí)現(xiàn)

顫振信號(hào)能夠有效提高伺服閥的靈敏度，減少伺服閥卡堵概率，改善閥的控制性能［11－12］，所以在伺服閥驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中采用顫振信號(hào)改善控制性能。顫振信號(hào)產(chǎn)生有硬件和軟件兩種方法。硬件方法需要設(shè)計(jì)相關(guān)的電路，而且顫振信號(hào)的幅值和頻率不易調(diào)節(jié)，所以本文通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)頻率為400 Hz小幅顫振信號(hào)發(fā)生。將一個(gè)正弦信號(hào)離散為20點(diǎn)，在單位正弦信號(hào)上，每隔0.05個(gè)周期取一個(gè)點(diǎn)。因?yàn)樾盘?hào)頻率為400 Hz，所以每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的時(shí)間為:

通過(guò)DSP的定時(shí)器，每隔0.125 ms通過(guò)SPI發(fā)送對(duì)應(yīng)點(diǎn)與顫振信號(hào)幅值的乘積，每20個(gè)點(diǎn)循環(huán)一次。最后，在輸出的電流中可以得到400 Hz小幅值的正弦信號(hào)。

4　仿真試驗(yàn)

為了降低實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，我們進(jìn)行實(shí)物在回路仿真試驗(yàn)。通過(guò)RS－232串口線將控制器與PC機(jī)進(jìn)行連接，用一個(gè)阻值與負(fù)載阻值一致的電阻代替負(fù)載。連接好后上電，并燒寫(xiě)程序，運(yùn)行PC機(jī)上的監(jiān)控軟件，PC機(jī)發(fā)出命令，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

(1)通過(guò)上位機(jī)給定控制器輸出電流從最小值最大再回到最小的過(guò)程，即從輸出電流為－40 mA至輸出電流為40 mA，再回到－40 mA，在兩個(gè)輸出端得到的實(shí)際電流如圖9(a)所示。圖9(a)中，UpI為電流由－40 mA～40 mA變化時(shí)的實(shí)際電流; downI為電流由40 mA～－40 mA變化時(shí)的實(shí)際電流。由圖9(a)可知: UpI和downI的電流基本重合，說(shuō)明系統(tǒng)擁有很好的重合度。由圖9(b)可知:給定電流和輸出電流誤差最大為0.4 mA，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖9　給定電流與輸出電流及實(shí)際電流與給定值的誤差關(guān)系圖

(2)通過(guò)電流反饋得到輸出端的電流，顫振的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。圖10中，realI為實(shí)際的電流輸出，GivenEI為上位機(jī)的給定值。由該圖可知:真實(shí)的顫振信號(hào)與理想的信號(hào)在幅值最大誤差為0.35，頻率與理想信號(hào)一致為400 Hz，滿(mǎn)足要求。

圖10　實(shí)際的顫振信號(hào)與理想信號(hào)的比較

試驗(yàn)的結(jié)果表明:控制器的通信模塊和電液伺服閥驅(qū)動(dòng)模塊都滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的要求;系統(tǒng)能夠精確地采集反饋電流，能夠?qū)敵鲭娏骶_地控制，從電流輸出端的波形能看出，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生設(shè)計(jì)所要求的閥顫振信號(hào)，所設(shè)計(jì)的電液伺服驅(qū)動(dòng)滿(mǎn)足要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電液伺服驅(qū)動(dòng)原理的詳細(xì)分析，我們將整個(gè)系統(tǒng)分為了DSP核心板、電源模塊、DA、V/I、電流反饋和通信模塊等6個(gè)模塊，分別對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)。在考慮系統(tǒng)所需的功能、成本和可靠性后，采用了TMS320F28335芯片作為核心處理器。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該硬件具有精確可靠的性能，能夠用于對(duì)電液伺服進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

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于　兵(1979－)，男，漢族，工學(xué)博士，江蘇邗江人，南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院講師，博士，主要研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制及測(cè)試技術(shù)，yb203@ nuaa.edu.cn。

The Design of Electric Vehicle Hybrid Power System

DONG Zhao*，ZHANG Weiwei
(Anyang Institute of Technology，Anyang Henan 455000，China)

Abstract:A hybrid power system for electric vehicles was designed.In this design，the storage battery is the major power and the super capacitor with the structure of electrical double-layer is the assistant power，both of which provide electricity for the electric vehicle.According to the different states of the vehicle，MCU decides the usage states of the two powers.If 200 kg of people and car run along the elevation angle of 30 degrees and a 6-meter slope drop，the distance can increase by 130 meters.It shows that the hybrid power has significant meaning of promotion，as it can effectively increase the distance which the vehicle can run and lengthen duration of the storage battery.

Key words:MCU; electric vehicles; hybrid power system; super capacitor; storage battery

中圖分類(lèi)號(hào):TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 03－0676－06

收稿日期:2014－11－05修改日期: 2014－12－09

doi:EEACC: 836010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.042