数字式液压伺服系统控制器设计

　　液压伺服系统自面世以来由于其独特的优越性,在工程中的应用越来越多。尽管液压系统具有维护困难、泄漏、噪声比大等缺点,但是对于大功率的自动控制系统,液压控制是其他控制形式所不能替代的。

　　1 控制对象及有关部件简介

　　被控对象为某型液压马达,控制目标为使液压伺服系统具有一定的动态性能及高精度的位置控制。在设计硬件电路之前,有必要了解一下液压伺服系统与控制有关的部件。

　　1.1 角度传感器及其解调

　　对于角位置控制系统来说,作为主传感器的角度传感器很大程度上决定了系统的最终控制精度。常用的角度传感器有光电编码器、旋转变压器、电位器。其中一种类似于旋转变压器的角度传感器RVDT(RotaryVariable DifferentialTransformer)以其坚固耐用、精确度高、零位可重复性好的优点在航空航天领域得以广泛使用。

　　RVDT是一种铁芯可动变压器,其把机械部件的旋转传递到角位移传感器的轴上,带动与之相连的扰流片/铁芯,改变线圈中的感应电压/电感量,输出与旋转角度成比例的电压/电流信号。RVDT的输入为额定频率和幅度的激磁信号,输出为与转角成比例的交流信号。交流输出值与激磁信号的相位关系反映了输出轴相对于零位的偏转方向,交流有效值的大小反映了输出轴偏转的角度。

　　1.2 电磁阀及伺服阀

　　伺服阀是由电液联合控制的多级伺服元件,其将微弱的电输入信号转换成大功率的液压能量输出,以实现对流量的控制,所以伺服阀又称功率放大元件。伺服阀接收模拟量电信号,输出随电控信号的大小和极性变化的液压模拟量。电磁阀与此不同的是只有两种状态:开或者关,控制整个油路的通断。

　　1.3 测速电机

　　测速电机即为一小型发电机,安装在马达的输出轴上,是模拟量的速度传感器,其输出电压表达式为

式中:v为机械转速; B为磁通密度; l为导线长度。由上式知,测速发电机的输出电压U与速度v成正比。在测速电机的线性范围内,测速机的输出是与速度成比例的直流电压U,可以直接用AD采集得到速度信息。

　　2 控制器硬件设计

　　2.1 硬件平台

　　控制器采用基于DSP+FPGA架构的平台。DSP采用TI的专用运动控制芯片TMS320LF2407,作为系统的控制器; FPGA芯片采用CYCLONE II系列芯片EP2C8Q208。TMS320LF2407具有16位数据总线和16位地址总线,时钟10MHz,通过内部倍频最高可以达到40MHz,即周期最小可达25 ns。其内部具有32 k的Flash,可以存储较大的数据量。EP2C8Q208具有多达205个数字IO,满足系统的多个ADC与DAC的数字接口。DSP与FPGA之间的通信采用主从模式。