電液比例方向節(jié)流閥數(shù)字控制放大器

引　言

　　電液比例方向節(jié)流閥，是由閥本體（機(jī)械結(jié)構(gòu)）和比例控制放大器組成，沒有比例控制放大器，這類閥的功能類似于一般的電磁換向閥，目前應(yīng)用的此類閥，其比例放大器多為專用的模擬比例控制放大器。本文介紹的數(shù)字控制放大器，不僅實(shí)現(xiàn)了控制放大器的數(shù)字化，提高了閥的性能，而且兼顧了閥控系統(tǒng)的需要，提高了可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)框圖

1　硬件結(jié)構(gòu)

　　本控制放大器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要功能性能如下：
　　具有RS-232串行口,能與標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口聯(lián)機(jī),可與上位微機(jī)構(gòu)成遙控系統(tǒng)或進(jìn)行多機(jī)協(xié)調(diào)控制,數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收均采用中斷形式。四路大功率光電隔離PWM脈寬調(diào)制輸出, 每路的輸出電流達(dá)800多毫安，并有防止比例電磁鐵線圈產(chǎn)生高壓損壞的續(xù)流作用。每路PWM的輸出均配有發(fā)光二極管顯示。8098芯片所提供10位 A/D輸入，經(jīng)多路開關(guān)擴(kuò)展后達(dá)16路。具有鍵盤與顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。8K的外部RAM和16K的外部EPROM。
　　為閥控系統(tǒng)提供了除前述中的A/D、PWM輸出外,還有兩個(gè)可編程并行 I/O擴(kuò)展接口。
　　實(shí)現(xiàn)上述功能的主要接口電路如下：
1.1　與比例電磁鐵的接口
　　控制放大器對閥本體的作用，是通過對比例電磁鐵施加一定占空比的PWM信號(hào),使比例電磁鐵獲得相應(yīng)大小的電流,進(jìn)而產(chǎn)生一電磁力以推動(dòng)閥芯。由于比例控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不是很高，故采用圖2所示的驅(qū)動(dòng)線路，圖中驅(qū)動(dòng)管采用光電隔離將驅(qū)動(dòng)部分與控制器數(shù)字部分隔離,提高了控制器的抗干擾能力。

圖2　與比例電磁鐵接口電路

　　由控制器輸出的PWM 信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，由于電磁鐵的慣性，在線圈上就可獲得平均值與占空比成比例、帶有交流紋波分量的直流電流。因此，其輸出的電流帶有一定的顫振效果；但由于其頻率與PWM信號(hào)頻率相同，幅值與調(diào)制信號(hào)的占空比、調(diào)制頻率及負(fù)載時(shí)間成函數(shù)關(guān)系，頻率和幅值互相牽制，不可獨(dú)立調(diào)節(jié)，限制了這種交流紋波的顫振效果。本控制器的PWM調(diào)制信號(hào)的頻率為500 Hz，是傳統(tǒng)低頻調(diào)制方式的 2～10倍，減小了線圈電流波幅以及開關(guān)特性的延遲時(shí)間對線圈電流的影響；另一方面，閥的電反饋閉環(huán)把整個(gè)閥的機(jī)械部分都包圍在內(nèi)，閥的滯環(huán)得到了較好的克服。
1.2　與閥芯位移傳感器的接口
　　由于閥芯位移傳感器輸出的模擬信號(hào)，其電壓在 3.8伏～9.0 伏之間,不能直接對它進(jìn)行采樣,我們采用圖3的信號(hào)處理電路，對輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)零和放大處理，使得其輸出的電壓在0～5伏這個(gè)范圍，并且提供的電流不小于 5 mA，以便供8098芯片的A/D 采樣；為了避免電源波動(dòng)的影響，對電源進(jìn)行了濾波處理。由于這里的電源被引入信號(hào)輸入端，用來拉低輸出的電平，故電源的變化波動(dòng)會(huì)直接引起處理后的輸出波動(dòng)變化。因此，盡管對電源進(jìn)行了硬件濾波，為了確保精度要求，在軟件中采取相應(yīng)的濾波算法，再進(jìn)行一次濾波。

圖3　信號(hào)處理電路鐵接口電路

1.3　為閥控系統(tǒng)而設(shè)的其它的接口
　　執(zhí)行元件的輸出由光柵檢測,因所用光柵數(shù)顯表輸出是20位的BCD碼，可通過8255擴(kuò)展的PA、PB和PC口讀入，經(jīng)軟件處理轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。
　　壓力傳感器的輸出，因其電壓、電流都滿足8098單片機(jī)的A/D 輸入要求，故可直接用對它進(jìn)行轉(zhuǎn)換采樣。

2　軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2.1　總體結(jié)構(gòu)
　　整個(gè)軟件包括兩部分，即監(jiān)控軟件和控制軟件。監(jiān)控軟件主要完成人機(jī)接口功能；整個(gè)軟件的核心是控制軟件，它完成對閥和系統(tǒng)的控制。圖4 是整個(gè)程序的簡化框圖,其中,因控制的實(shí)時(shí)性要求, 從控制程序返回到監(jiān)控程序,是由軟件復(fù)位過來的,監(jiān)控軟件和控制軟件所使用的存儲(chǔ)空間,絕大多數(shù)可以交叉重復(fù)而不致于引起混亂。

圖4　軟件總體結(jié)構(gòu)簡化框圖

2.2　監(jiān)控軟件
　　由于8098芯片復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器指向2080地址單元，系統(tǒng)自動(dòng)地從此處開始, 運(yùn)行程序。故在此設(shè)置一條關(guān)中指令，然后進(jìn)行一些初始化，等待從鍵盤的輸入，根據(jù)鍵值散轉(zhuǎn)，執(zhí)行相應(yīng)的程序。程序框圖如圖5所示。
2.2.1　初始化
　　(a) 關(guān)閉所有中斷
　　(b) 設(shè)置堆棧指針, 在本系統(tǒng)中，對堆棧的訪問主要有程序的調(diào)用和中斷而產(chǎn)生，其最大壓入深度不超過64個(gè)字節(jié)。
　　(c) 內(nèi)部RAM及有關(guān)外部RAM清零。
　　(d) 封鎖PWM輸出及A/D輸出, 防止系統(tǒng)誤動(dòng)而產(chǎn)生不良影響。
　　(e) 8279初始化；
　　鍵盤/顯示方式設(shè)置命令字，通過CPU送入控制控制10H, 即八位顯示、左入口、編碼掃描、雙鍵鎖定方式。
　　時(shí)鐘命令字，為了獲得8279內(nèi)部要求的100 KHz, 須將ALE進(jìn)行6分頻，故命令字為26 H。
　　讀顯示RAM,取讀后地址自動(dòng)加 1 的方式, 故其命令字為 70 H；寫顯示RAM，取寫后地址自動(dòng)加1的方式, 命令字為90 H；清除顯示RAM, 給顯示RAM寫入“P”。

圖5　監(jiān)控程序框圖

2.2.2　人機(jī)對話
　　經(jīng)過上述初始化后，就可開始進(jìn)行人機(jī)對話。其主要功能是，CPU 識(shí)別工作人員從鍵盤送入的命令、數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)而去執(zhí)行相應(yīng)的程序。
　　鍵盤設(shè)16個(gè)數(shù)據(jù)鍵0～F,四個(gè)功能鍵LAST、RESET、NEXT/PRO和EXEC鍵。其中,RESET被按下后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)上電復(fù)位,不需要CPU的識(shí)別處理。EXEC鍵被按下,則轉(zhuǎn)去執(zhí)行控制程序的初始化程序。NEXT、LAST鍵是顯示并可修改當(dāng)前地址單元的下一個(gè)、上一個(gè)單元的內(nèi)容；如果當(dāng)前沒有顯示任何單元，則此時(shí)按下LAST無效,而NEXT轉(zhuǎn)為“PRO ”鍵功能，即此鍵被按下，被顯示和可修改的單元, 是存放控制命令及數(shù)據(jù)的首地址7FF0H。
2.3　控制軟件
　　考慮到系統(tǒng)的要求，控制軟件需要完成閥的調(diào)節(jié)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、為了保證程序按一定的系列執(zhí)行所必要的中斷、定時(shí)以及相應(yīng)的一些數(shù)據(jù)采集、輸入和處理等。圖6是控制軟件總體框圖；對各個(gè)部分說明如下：
2.3.1　初始化
　　在關(guān)閉中斷的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對控制程序的下述幾個(gè)初始化工作。
　　(a).對PID 程式(閥的調(diào)節(jié))計(jì)算中的一些標(biāo)志、輸入E、輸出U清零。將由Kp、 Ki、Kd、采樣周期T及低通濾波器的時(shí)間常數(shù)T_f, 計(jì)算得到的Qi、Mi賦予給它的存儲(chǔ)單元。在PID 程序中，數(shù)的表示及運(yùn)算均采用定點(diǎn)數(shù)的方式來處理。盡管8098本身具有豐富的指令系統(tǒng), 設(shè)有帶符號(hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算指令，給編程帶來了極大的方便；但PID 程序的運(yùn)算過程中，因定點(diǎn)數(shù)的表示范圍有限，中間難免有溢出之處,為此設(shè)有幾個(gè)判斷標(biāo)志，在運(yùn)行PID 程序之前也需要對它們初始化。

圖6　控制軟件總體框圖

　　(b).采樣時(shí)間到標(biāo)志清零；
　　(c).比例閥流量死區(qū)的基本值賦值；設(shè)置PWM 的周期、最大輸出電流( 包括顫振信號(hào)的頻率和幅值 )；輸出電流清零，以避免輸出單元的隨機(jī)值引起系統(tǒng)的誤動(dòng)。
　　(d).軟件定時(shí)中斷和 HSO中斷初始化；開放這兩個(gè)中斷，即INT－MASK賦予＃28H，同時(shí)，把兩個(gè)中斷服務(wù)子程序的入口地址放入相應(yīng)的中斷向量單元。
　　(e).設(shè)置堆棧指針，SP指向內(nèi)部RAM中的00FEH單元。
2.3.2　采樣及計(jì)算程序
　　(a). 讀給定的位移；輸入的位移是以十進(jìn)制數(shù)的方式放入7FF0H～7FF2H的，因此，需要調(diào)用一次三字節(jié)的BCD碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的程序，其結(jié)果放入40H～42H這三個(gè)字節(jié)單元，并在整個(gè)控制程序運(yùn)行期間保存。
　　(b).計(jì)算增量式PID算式U_n+1＝∑QiEi＋Un中的Qi，Mi。
2.3.3　控制程序的主程序
　　在控制程序的主程序中，由于至少存在一個(gè)PID程序(閥的調(diào)節(jié)), 而PID中的運(yùn)算參數(shù)與采樣周期T有關(guān), 為了PID控制算法的正確實(shí)現(xiàn), 本控制程序通過軟件定時(shí)來實(shí)現(xiàn)保證固定的采樣周期。固定采樣周期的獲得，實(shí)際上是通過等待, 把每次程序循環(huán)運(yùn)行的時(shí)間差距拉平。此措施的先決條件是，采樣周期必須大于完成一個(gè)循環(huán)運(yùn)行所需要的最長時(shí)間，即對采樣頻率的最大值有個(gè)限制。
　　以下是控制軟件的各個(gè)功能模塊。
　　(a).采樣、輸入系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù),需要采樣或讀入的數(shù)據(jù)有閥芯的位移,以及閥控系統(tǒng)所需的執(zhí)行元件位移和系統(tǒng)壓力等參數(shù)。
　　由A/D 采樣來的數(shù)據(jù)(閥芯位移及壓力等參數(shù)),還需經(jīng)濾波處理后放入指定的單元。
　　執(zhí)行元件的位移，從二次儀表得到的BCD碼還需經(jīng)數(shù)制數(shù)轉(zhuǎn)換程序處理。
　　本文僅用到閥芯位移的采集及濾波，其它是為閥控系統(tǒng)所準(zhǔn)備。
　　(b). 閥控系統(tǒng)調(diào)節(jié)程序,是閥控系統(tǒng)所需的控制策略。本文僅作信號(hào)發(fā)生器使用。
　　(c). 閥的調(diào)節(jié)程序,根據(jù)給定量和反饋量的關(guān)系,處理和計(jì)算的結(jié)果放入HSO的輸入單元,即作為PWM調(diào)制及放大的輸入。閥的調(diào)節(jié)方法是工程上廣為應(yīng)用的PID控制。
2.3.4　中斷服務(wù)程序
　　中斷服務(wù)程序中,有一個(gè)軟件中斷定時(shí)器，它主要是每當(dāng)采樣時(shí)間到，則設(shè)置啟動(dòng)標(biāo)志，主程序可以運(yùn)行。另一個(gè)中斷程序是HSO的中斷輸出,即控制器的輸出。
2.3.5　試驗(yàn)測試程序
　　為了對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試分析，在控制程序中加入了一些試驗(yàn)輔助程序。這些程序主要有：信號(hào)的給定及測試數(shù)據(jù)記錄程序,記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)離線處理得動(dòng)態(tài)曲線。

3　試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)研究包括靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)。在靜態(tài)試驗(yàn)時(shí),閥控系統(tǒng)調(diào)節(jié)程序設(shè)置為線性信號(hào)發(fā)生器，動(dòng)態(tài)測試時(shí)則設(shè)置為階躍信號(hào)發(fā)生器。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用測試數(shù)據(jù)記錄程序記錄,靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)則用X-Y函數(shù)記錄儀記錄。
　　從圖7和圖9可以看出,由數(shù)字控制放大器構(gòu)成的電液比例方向節(jié)流閥,具有較滿意的動(dòng)靜態(tài)性能。從圖8也可看出該閥的流量特性在零點(diǎn)附近很差,有死區(qū)和滯環(huán)等嚴(yán)重的非線性,這是這類節(jié)流閥固有的特性。

圖7　靜態(tài)位移曲線

圖8　靜態(tài)流量曲線

圖9　階躍響應(yīng)曲線

4　結(jié)論

　　本文提出的數(shù)字控制放大器,取得了比較滿意的結(jié)果,同模擬控制放大器相比,它集系統(tǒng)控制功能于一體，使得閥控系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和靈活性。在閥控系統(tǒng)中，節(jié)流閥流量特性的嚴(yán)重非線性是需重點(diǎn)考慮解決的問題；在此基礎(chǔ)上，由于比例閥較伺服閥有更好的經(jīng)濟(jì)性和使用維護(hù)的方便性，使得它具有較廣闊的應(yīng)用前景。