基于DSP的电液伺服实验台控制系统的研究*

申一歌 李名莉 胡雪梅

（河南工业职业技术学院 南阳 473000）

1 引言

电液伺服控制系统因其在功率—重量比、负载刚度、控制精度、响应速度等参数方面具有明显优势，在工业自动化、国防、电力、新能源利用、工业机器人等领域中广泛应用，对工业生产领域的进步和发展具有重要影响。针对电液伺服系统现阶段的控制方案有很多，应用较普遍的是工控机控制及单片机控制，但都存在一些缺陷，单片机难以实现高精度控制，工控机则价格高昂且需配置接口卡，在工业应用中受到了限制［1～2］。数字信号处理器DSP相比在精度、速率、实时性、可靠性方面具有自己独特的优势，不需套用专门设计的大规模集成电路，能够降低成本，同时兼容性好，针对不同的控制系统只需对软件作相应修改或设计即可，还可随着工作环境、负载状况的变化改变算法和参数［3～4］。为了提高电液伺服控制系统动态响应特性，达到多方面的应用，在实验室环境中利用电液伺服实验台进行大量实验，模拟实际应用系统及开发环境，来验证各种控制策略。

2 电液伺服控制系统

电液伺服控制系统主要由控制器、D/A转换电路、电液伺服阀、液压缸、传感器、A/D采集电路六部分组成，结构图如图1所示［5］。

图1 电液伺服系统结构框图

电液伺服综合实验台主要由两套液压源、液压缸、电液伺服阀、传感器等构成，可实现电液伺服系统的开环特性测试以及闭环特性测试［6］。液压缸的作用是采集系统的缸速度、缸位移、缸压力等信号，对系统进行速度、位移或力的电液伺服控制，每个液压缸都具有独立工作的性能，电液伺服综合实验台原理图如图2所示［7～8］。

图2 电液伺服实验台原理图

实验中用到了多种传感器，有采集液压缸位移的振动加速度传感器，测量速度的霍尔传感器和测两腔压力的压力传感器。传感器采集到的信号需经过信号调理电路进行转换，变成0～3V的电压信号，再传送到ADC采集通道，转换结果与上位机发送的数值比对，得到的偏差量进行D/A转换输出，输送到电液伺服阀中，实现电液伺服控制，硬件结构框图如图3所示。

图3 电液伺服实验台控制系统硬件结构框图

3 电液伺服实验台控制系统的设计

对电液伺服控制系统特性进行分析研究，首先要对系统的开环和闭环特性进行测试。对电液伺服实验台系统进行控制，除了硬件部分，还需软件的控制。软件部分含有主程序和两个子程序，定时中断服务子程序和通信接收中断服务子程序。在外设初始化后，主程序对定时时间、中断部分进行设置，子程序实现对系统的开环特性进行测试，并对闭环部分实行控制，主要包括A/D、D/A转换、数据传送、数值转换及PID控制等环节［9～10］。

在开环控制中，实验台系统处于运行状态，DSP定时中断，A/D转换之后的数据上传到上位机监控系统，设定一个输入参数作为DSP的D/A输出，对电液伺服阀实行控制。

在闭环控制中，采集到的数据上传到上位机监控系统，对各环节的信号实时监控，绘制出信号的曲线变化，保存数据，并对下位机的动作实行控制。在对CAN总线通信时，由于PC机不具相应的CAN信号通信器件，实验中配备的是USB-CAN总线适配器，PC机才能通过USB接口连接CAN网络，实现对数据的通讯、处理。对上位机界面编程使用的是VB语言［11～12］。

4 系统调试

4.1 模拟量数据采集模块调试

为了验证设计方法的可行性，在实验室利用简单易得的信号作为采集信号，电压信号可由干电池提供，电流信号则利用实验室中的锅炉控制系统，采集系统的温度信号模拟电流信号［13～15］。用万用表对实际数据测量，再与控制器DSP的数值比对验证采集电路的正确性。表1为电流信号检测，表2为电压信号检测。

表1 电流信号检测

表2 电压信号检测

通过表1、2可以看出，电流和电压信号采集电路都是正确可行的。

模拟信号采集部分实物图见图4。

图4 模拟信号采集部分实物图

4.2 模拟量输出模块调试

电液伺服阀的控制信号范围是-10V～10V，需对控制器DSP输出信号进行D/A转换，控制器DSP给定固定数值，在watch window观测指定地址中的数值，然后与万用表测量值比对，对输出通道的正确性验证，数据见表3。

表3 数模转换信号检测

经验证，输出信号模块是可行的。

4.3 系统通讯功能调试

连接控制器DSP与上位机监控系统的硬件部分，并连接CAN模块，运行监控界面，然后启动CAN模块。在CCS环境下，从上位机监控系统向控制器DSP发送测试数据，接收并观察数据，接着从控制器向上位机监控系统发送数据。实验中采用1.5V干电池的电压作为采集信号，将控制器采集到的电压信号传送到上位机，在监控界面观察接收数据的正确性。图5是接收数据验证和发送数据验证。

图5 接收数据和发送数据验证

4.4 电液伺服实验台调试

4.4.1 电液伺服系统开环测试

开环测试试验参数设置：差动液压缸内径63mm，杆直径45mm，行程范围0～400mm，油源压力5.1MPa，采样周期1ms，实验中电液伺服阀给定值为1V的阶跃信号。活塞位移和两腔压力的开环响应曲线见图6，其中t为采样时间，x为位移，P为缸两腔压力。

图6

4.4.2 电液伺服系统闭环控制

接下来对闭环系统测试。试验条件为油源压力5.1MPa，采样周期1ms，给定目标位移100mm，位移和缸两腔压力的响应曲线如图7所示。

图7

5 结语

针对于电液伺服实验台组成和实验系统功能分析，对实验台系统硬件部分和软件部分作了改进，以CAN总线为底层网络，制定出通信协议，实现了控制器DSP与上位机的通信，采用VB语言对上位机监控界面编写程序，对电液伺服实验台控制系统实现了实时监控，最后对实验台系统的各个功能模块进行调试，并对系统的开环和闭环控制进行测试，验证了电液伺服系统的可行性。