0　引言

隨著電液伺服控制理論的發(fā)展, 很多先進的控制策略被應用于電液伺服控制領域中。如: 文獻[ 1 ]闡述了基本運算為不完全微分PID的濾波型二自由度控制算法, 針對飛行仿真轉(zhuǎn)臺用液壓伺服系統(tǒng)的特點進行了仿真研究。文獻[ 2 ] 研究了基于RBFNN 的PID控制在電液位置伺服系統(tǒng)中的應用。文獻[ 3 ]對電液位置伺服系統(tǒng)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制, 用最優(yōu)控制理論設計滑模平面, 均取得了良好效果。但大量文獻均是理論與仿真研究, 大多的工業(yè)應用仍然以模擬電路實現(xiàn)PID控制算法為主, 主要原因是實現(xiàn)這些先進的控制算法的方法目前都是由負責控制的下位機用程序?qū)崿F(xiàn)的, 而計算機易出現(xiàn)死機、掉電等情況, 這使液壓系統(tǒng)可靠性和安全性都降低。

筆者介紹了一種用基于FPGA的DSP技術來設計電液伺服系統(tǒng)控制器的方法。該方法克服了傳統(tǒng)伺服控制器的一些不足, 可將許多復雜的實時控制算法硬件化實現(xiàn), 并根據(jù)控制效果的優(yōu)劣調(diào)整控制算法, 從而提高了控制器的控制效果、運算速度和可靠性。使用該方法, 設計者不必十分了解 FPGA （可編程邏輯門陣列） 和VHDL （硬件描述語言） , 在Matlab中便可設計出需要的伺服控制器。

1　現(xiàn)代DSP技術概述

近幾年來, 應用數(shù)字信號處理技術設計的數(shù)字控制器被越來越多地應用到電液伺服系統(tǒng)中。在過去很長的一段時間里, 以美國TI公司 TMS320 系列為代表的DSP處理器幾乎是數(shù)字信號處理應用系統(tǒng)的唯一選擇。但面對當今迅速變化的DSP應用市場, 其硬件結(jié)構(gòu)的不可變性, 早已顯得力不從心?；贔PGA的現(xiàn)代DSP技術是用FPGA等可編程門陣列實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法, 它是一種面向?qū)ο蟮腄SP系統(tǒng), 用戶可根據(jù)需要來定制和配置自己的DSP系統(tǒng)。但是, 應用FPGA開發(fā)DSP系統(tǒng)專業(yè)性強, 使其應用受到很大限制。目前, 在利用FPGA進行DSP系統(tǒng)的開發(fā)應用上, 已有了全新的設計工具和設計流程, 世界兩大FPGA生產(chǎn)廠商Xilinx公司和Altera公司都相繼推出了自己的DSP解決方案。 DSP Builder就是Altera公司推出的一個面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具。MathsWork公司Matlab是功能強大的數(shù)學分析工具。 Simulink是Matlab的一個工具箱, 用于圖形化建模仿真。DSP Builder作為Simulink中的一個工具箱,使得用FPGA設計 DSP系統(tǒng)可以通過Simulink的圖形化界面進行。DSP Builder中的基本模塊是以算法級的描述出現(xiàn)的, 易于用戶從系統(tǒng)或者算法級進行理解, 甚至不需要十分了解FPGA 本身和硬件描述語言。這為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)領域的工程師開發(fā)基于FPGA的可靠控制系統(tǒng)芯片自頂向下的算法級設計提供了便利的條件。

2　電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型

電液伺服系統(tǒng)是將電氣和液壓兩種控制方式結(jié)合起來組成的系統(tǒng)。典型的電液系統(tǒng)方框圖如圖1 所示

式中: Ksv為伺服閥的流量增益;
ωsv為伺服閥的固有頻率;
ξsv為伺服閥的阻尼比。
采用TR2h7 /20EF型動圈雙級滑閥式位置反饋式電液伺服閥, 其主要參數(shù)為: 額定電流ΔiR = 013A;供油壓力 ps = 415MPa; 額定流量qR = 015 ×10- 3m3 / s;零位泄漏流量qc = 813 ×10 - 6m3 / s; 顫振電流幅值和頻率分別為25mA 和50Hz。由實驗可得出伺服閥固有頻率ωsv = 112 rad / s, 阻尼比ξsv = 0.6。
得到伺服閥的傳遞函數(shù)為:

令控制系統(tǒng)采樣周期為011 s, 可得伺服閥的脈沖傳遞函數(shù)為:

2.2　液壓缸- 負載

負載為慣性負載, 則液壓缸- 負載環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以寫成如下形式:

式中: XP 為液壓缸活塞位移;
QL 為負載流量;
AP 為液壓缸有效工作面積;
ωn 為液壓缸的固有頻率;
ξh為液壓缸的阻尼比。
液壓缸的技術參數(shù)為: 活塞直徑D = 01125m, 活塞桿直徑d = 0106m, 活塞行程H = ±01075m, 液壓缸有效工作面積AP = 9145 ×10 - 3m2 , 系統(tǒng)總的壓縮體積Vt = 2HAP +V管≈ 2148 ×10 - 3m3。
若液壓油彈性模量βe = 7 ×108 Pa, 慣性負載質(zhì)量mt = 2175 ×104 kg, 則液壓缸- 負載環(huán)節(jié)的固有頻率為:

由于該環(huán)節(jié)的粘性阻尼系數(shù)和涉及到的伺服閥流量- 壓力系數(shù)都較小, 取ξh = 012。則可得到液壓缸- 負載環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:

令控制系統(tǒng)采樣周期為011 s, 可得伺服閥的脈沖傳遞函數(shù)為：

3　基于DSP Builder的電液伺服系統(tǒng)PID控制器設計

3.1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

伺服控制器設計可以從與硬件完全無關的系統(tǒng)級開始, 首先利用Matlab強大的系統(tǒng)設計、分析能力和DSP Builder提供的模塊完成控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計。本文控制器采用位置式PID控制器, 在Simulink搭建如圖2所示的模型。

圖2中, 頂層模型中PID Controllor為PID控制子系統(tǒng), Input為控制輸入端, Feedback 為反饋輸入端,Function1與Function2 分別為伺服閥及液壓缸- 負載的離散數(shù)學模型。值得注意的是PID 子系統(tǒng)中的Mask Type 必須設置為SubSystem AlteraBlockSet, 否則, 只能進行Simulink 仿真, 不能進行SingnalCom2p iler分析。PID控制子系統(tǒng)為實現(xiàn)PID算法部分, 其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
 

控制輸入端及反饋輸入端均采用了16 位精度。由于DSP Builder中尚不支持浮點數(shù)運算, 為了實現(xiàn)比例、積分、微分系數(shù)的精確可調(diào), 在這里PID系數(shù)采用了位數(shù)轉(zhuǎn)換的方法, 先將PID系數(shù)取成整型, 先放大數(shù)據(jù)值到24位, 而在并行加法器運算單元后用IO&Bus中的總線轉(zhuǎn)換器單元對累加后的數(shù)據(jù)進行位數(shù)轉(zhuǎn)換為16位, 可表示1 /256 = 01003 9整數(shù)倍的浮點數(shù), 實現(xiàn)FPGA中的浮點數(shù)運算。

3.2　控制系統(tǒng)仿真

在本例中采用PD控制, 取比例系數(shù)為1715, 微分系數(shù)為4, 相應地設置Kp = 1715 ×256 = 4 480,Kd = 4 ×256 = 1 024, 得系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應及正弦響應如圖4、5所示。

3.3　控制器的FPGA實現(xiàn)

雙擊ServoSystem 模型中的SingnalComp iler模塊,按照提示選擇器件、綜合及優(yōu)化工具, 這里選擇EP2C8型 FPGA, 綜合工具選為QuartusⅡ, 優(yōu)化方式選擇Balanced, 綜合考慮運算速度和耗費資源, 編譯生成 ServoSystem1qpf。在QuartusⅡ中打開ServoSys2tem1qpf, 可以看到SingnalCompiler 為自動生成的 VHDL語言源代碼。在QuartusⅡ中完成編譯適配過程,生成的pof文件及sof文件可直接用于FPGA的編程配置。配置好的控制器, Input 端接計算機給定值, Feed2back端接位移反饋A /D芯片, Output端接D /A輸出。

4　結(jié)論

筆者以FPGA的系統(tǒng)級設計工具DSP Builder設計帶鋼卷取電液伺服系統(tǒng)控制器為例, 介紹了現(xiàn)代DSP技術在電液伺服系統(tǒng)中的應用。該方法可以解決復雜控制算法在電液伺服系統(tǒng)實際應用中, 分立元件的局限性, 軟件實現(xiàn)的實時性、可靠性等方面的矛盾。由于有了像 DSP Builder這樣的系統(tǒng)級設計工具,設計是從與硬件完全無關的Matlab系統(tǒng)級仿真開始,因此便于傳統(tǒng)控制領域的工程師迅速地將算法級的構(gòu)思應用于控制系統(tǒng)設計中, 從而可以將有限的精力專注于系統(tǒng)級算法的設計, 而避免陷入重復繁瑣的電路設計中去?？梢灶A見, 隨著控制理論及電子技術的發(fā)展, 該方法在未來的電液伺服控制系統(tǒng)設計中將會得到廣泛應用。

參考文獻
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