超磁致伸缩电液伺服阀驱动机构控制系统设计

杨朝舒，何忠波，李冬伟，薛光明

(军械工程学院车辆与电气工程系，河北石家庄050003)

0 前言

电液伺服系统具有单位功率质量小、力—质量比大、工作频带宽、鲁棒性好和抗过载能力强等优良特性，在现代航空工业、汽车工业等领域得到了广泛地应用。电液伺服阀(Electro Hydraulic Servo Valve，EHSV)是电液伺服系统最重要的部件，它是沟通电子器件和液压器件的桥梁，对整个系统的动态性能起着决定性的作用［1］。

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，GMM)是一种能够在外磁场作用下发生较大变形的新型磁功能材料，具有响应速度快、能量密度大、居里温度高等一系列优良特性［2］，将GMM 运用于EHSV 驱动机构之中所设计而成的超磁致伸缩电液伺服阀，具有结构紧凑、精度高、响应速度快的特点，其最大输出流量达2 L/min，带宽可达650 Hz(-3 dB)［3］。为了将GMM 响应迅速的特性在EHSV 的开发中充分体现出来，本文作者设计了能够高速、高效控制GMM 机构工作的驱动和控制系统，该控制系统基于PicoScope2203 数字示波器和STC89C51 单片机，通过上位机发出指令，既能实现高频下任意波形的开环控制，又能够实现占空比可调的闭环PWM 控制。此外，该控制系统的集成度很高，操作也比较便捷。

1 GMM 电液伺服阀结构和工作原理

图1 是GMM 电液伺服阀的结构示意图。其工作原理为:给激励线圈通入幅值电流，产生激励磁场。通过改变激励电流的大小和方向可以改变激励磁场的大小和方向，进而使GMM 棒的长度发生变化，推动顶杆，并最终带动阀芯产生位移输出［4］。

图1 GMM 伺服阀结构图

2 驱动机构控制系统的组成和工作原理

为了实现EHSV 阀芯的高速运动和精确控制，必须要尽量减小从上位机发出指令信号到阀芯产生位移的反应时间，并尽量提高采样频率。整个控制系统硬件部分分为控制、驱动和采集三大部分，控制系统的结构图和实物图分别如图2、3所示。

图2 控制系统结构图

图3 控制系统实物图

(1)控制部分

控制部分的作用是根据上位机的指令产生相应的控制信号，处理键盘响应，接收采集部分采集到的电信号，主要由PC 机、PicoScope2203 数字示波器、STC89C51 单片机组成。

PicoScope2203 数字示波器由英国Pico Technology公司生产，集成了信号发生器、A/D、D/A 转换器、示波器的功能。无需单独供电，通过计算机数字量控制，可以实现±2 V 以内任意波形输出和双通道±20 V 以内电压信号的采集。在控制系统中，Picoscope2203 被用于产生周期性激励信号，并接收传感器采集到的位移、力反馈信号;STC89C51 单片机是一种低功耗，高性能的8 位单片机。片内带有4 K 字节的闪速可编程及可擦写储存器(EPROM)，可以在线对存储器进行重新编程。在控制系统中用于实现伺服阀的PWM 控制。

(2)驱动部分

驱动部分由GF800 功率放大器和GMM 驱动机构组成，用于将控制信号进行放大，并驱动GMM 机构产生位移，进而带动阀芯运动。

(3)采集部分

采集部分由HN808 电涡流传感器及其前置器、YDL-1X 石英晶体压电力传感器、电荷放大器组成，用于采集阀芯产生的动态位移和力信号，并转化成电信号，反馈给控制部分。

图4 为超磁致伸缩驱动机构的实物图。

图4 超磁致伸缩驱动机构实物图

3 软件设计

3.1 信号驱动部分程序

PicoScope2203 数字示波器中对于驱动信号波形的选择有两种方式，一种选择固定波形:仪器内置波形包括方波、正弦、锯齿波信号;另一种是通过任意波形产生模块(Arbitrary Waveform Generator，AWG)，首先生成一组描述所需波形的序列，其元素为0～255 之间的整数(即每个元素均为BYTE 型变量)，然后设置信号的频率和幅值等参数以及读取波形序列的长度。仪器会根据上述参数和序列描述的波形，周期性的产生所需要的激励信号。信号驱动部分程序设计流程如图5所示。

图5 信号驱动部分程序流程图

3.2 数据采集部分程序

PicoScope2203 数字示波器的采样方式主要有3种:Block 模式，Streaming 模式和ETS(Equivalent Time Sampling)模式［5］。Block 模式下的采样频率非常高(＜1 μs)，超过了计算机的读取速度。仪器会将采集到的数据首先存入自带的存储器之中，然后以数据块(Block)的方式向计算机传输，这种方式可以很迅速地捕捉到系统输出信号的变化，但由于仪器存储单元有限，无法进行长时间的数据采集;Streaming 模式下采样频率相对较低，仪器会将采集到的数据直接存入计算机内存之中，记录数据的长度由计算机内存来决定，且不存在延迟，适合于采样频率要求不高的长时间采样;ETS 模式适用于长时间采集周期信号的情况，通过若干个周期的采集，仪器将得到的重复性信号进行合成处理，使得其等效采样频率高于单个周期的采样频率。

在控制系统中，综合利用上述3 种采样模式，可以拓宽控制系统的使用范围。Block 模式用于测量系统的瞬态响应;Streaming 模式用于测量系统的稳态响应。并且，装载了各种传感器的灵敏度后，可以直接得到各待测量的变化曲线;ETS 模式主要用于触发器的设置。采集部分的程序流程如图6所示。

图6 数据采集部分程序流程图

3.3 PWM 控制程序

PWM 控制采用STC89C51 单片机来实现，该型号的单片机没有专用的PWM 硬件资源［6］，所以采用定时器方式，在P2.1 端口产生，其频率和占空比通过串口通信的方式由上位机指定，其控制流程如图7所示。控制系统的上位机软件界面如图8所示。

图7 PWM 控制部分程序流程图

图8 控制系统人机界面截图

4 系统控制

4.1 控制策略

驱动机构中的GMM 本身具有很强的磁滞特性，又工作在多场耦合的环境中，系统非线性成分比较大，其精确地物理模型难以建立。PID 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，其最大的特点是不必建立系统精确的数学模型［7］。通过实验整定比例、积分、微分3 个参数，可以取得较好的控制效果。在电磁阀的控制策略中，采用增量型算法，其表达式如下:

式中:Δu(k)为控制器的输入增量;e(k)为k时刻输出量与参考量之间的误差;kp，ki，kd为控制参数。

4.2 控制方法

系统采用PWM 信号控制驱动机构的输出位移，通过不断调节驱动信号的占空比，实现对电磁阀流量的调节。PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术的基本原理为:

假设在周期T内，驱动机构的位移为x，

其中，t0为接通时间，将上式用傅里叶级数进行展开，最终得到

其中，α 为占空比，ω=2π/T。

滑阀的流量特性可用式(4)描述:

当雷诺数Re＞260，系统压力保持恒定时，参数Cd，W，Δp可视为常数［8］，由于驱动信号的开关频率比伺服系统的截止频率高很多［9］，通过伺服阀的实际流量可视做由阀芯位移的直流分量所引起，即:

式(5)说明，可以通过改变驱动信号的占空比α 来控制伺服阀的流量。

在驱动机构能够完全响应的前提下，驱动信号的开关频率越高输出波纹就越小，但是过高的开关频率会影响驱动机构的寿命，所以要在输出波纹可接受的条件下尽量降低开关频率［10］。

5 结论

(1)介绍了GMM 电液伺服阀的结构和工作原理，探讨了GMM 电液伺服阀的PWM 控制方法和PID控制策略。

(2)设计了基于PicoScope2203 数字示波器和STC89C51 单片机的GMM 电液伺服阀的测试与控制系统，该系统具有集成度高、操作便捷等特点。

［1］俞军涛，焦宗夏，吴帅.基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真［J］.机械工程学报，2013，49(2):151-158.

［2］王博文，曹淑英，黄文美.超磁致伸缩材料与器件［M］.北京:冶金工业出版社，2008.

［3］张雪梅，李光彬.超磁致伸缩材料致动器用于开关式数字阀驱动的研究［J］.机械研究与应用，2006，29(5):34-35.

［4］翁玲，王博文，孙英.超磁致伸缩致动器的输出位移与其控制研究［J］.仪器仪表学报，2006，27(7):800-803.

［5］PicoScope 2000 Series PC Oscilloscope Programmer's Guide［M］:Pico Technology Ltd，2009.

［6］举平，余为清，杨树军.一种高速开关阀新型驱动系统设计［J］.机床与液压，2012，40(21):117-119.

［7］刘金琨.先进PID 控制及其MATLAB 仿真［M］.北京:电子工业大学出版社，2002.

［8］赵伟，张凯，黄钰瞾.一种大流量高速开关阀的设计与实验研究［J］.液压与气动，2013，265(9):38-40.

［9］鲁中良，吴丰顺，张尧，等.PWM 技术在电液换向阀流量控制中的应用［J］.液压气动与密封，2003，100(4):33-36.

［10］堵利宾，张河新，李建朝，等.新型高速开关阀单片机PWM 控制电路及的设计及应用［J］.液压与气动，2007，40(11):67-69.