电液比例方向节流阀数字控制放大器

引　言

　　电液比例方向节流阀，是由阀本体（机械结构）和比例控制放大器组成，没有比例控制放大器，这类阀的功能类似于一般的电磁换向阀，目前应用的此类阀，其比例放大器多为专用的模拟比例控制放大器。本文介绍的数字控制放大器，不仅实现了控制放大器的数字化，提高了阀的性能，而且兼顾了阀控系统的需要，提高了可靠性、经济性和灵活性。

图1　硬件结构框图

1　硬件结构

　　本控制放大器硬件结构如图1所示，其主要功能性能如下：
　　具有RS-232串行口,能与标准RS-232接口联机,可与上位微机构成遥控系统或进行多机协调控制,数据的发送与接收均采用中断形式。四路大功率光电隔离PWM脉宽调制输出, 每路的输出电流达800多毫安，并有防止比例电磁铁线圈产生高压损坏的续流作用。每路PWM的输出均配有发光二极管显示。8098芯片所提供10位 A/D输入，经多路开关扩展后达16路。具有键盘与显示，实现人机接口。8K的外部RAM和16K的外部EPROM。
　　为阀控系统提供了除前述中的A/D、PWM输出外,还有两个可编程并行 I/O扩展接口。
　　实现上述功能的主要接口电路如下：
1.1　与比例电磁铁的接口
　　控制放大器对阀本体的作用，是通过对比例电磁铁施加一定占空比的PWM信号,使比例电磁铁获得相应大小的电流,进而产生一电磁力以推动阀芯。由于比例控制系统的动态响应要求不是很高，故采用图2所示的驱动线路，图中驱动管采用光电隔离将驱动部分与控制器数字部分隔离,提高了控制器的抗干扰能力。

图2　与比例电磁铁接口电路

　　由控制器输出的PWM 信号，经驱动电路放大，由于电磁铁的惯性，在线圈上就可获得平均值与占空比成比例、带有交流纹波分量的直流电流。因此，其输出的电流带有一定的颤振效果；但由于其频率与PWM信号频率相同，幅值与调制信号的占空比、调制频率及负载时间成函数关系，频率和幅值互相牵制，不可独立调节，限制了这种交流纹波的颤振效果。本控制器的PWM调制信号的频率为500 Hz，是传统低频调制方式的 2～10倍，减小了线圈电流波幅以及开关特性的延迟时间对线圈电流的影响；另一方面，阀的电反馈闭环把整个阀的机械部分都包围在内，阀的滞环得到了较好的克服。
1.2　与阀芯位移传感器的接口
　　由于阀芯位移传感器输出的模拟信号，其电压在 3.8伏～9.0 伏之间,不能直接对它进行采样,我们采用图3的信号处理电路，对输入信号进行滤波、调零和放大处理，使得其输出的电压在0～5伏这个范围，并且提供的电流不小于 5 mA，以便供8098芯片的A/D 采样；为了避免电源波动的影响，对电源进行了滤波处理。由于这里的电源被引入信号输入端，用来拉低输出的电平，故电源的变化波动会直接引起处理后的输出波动变化。因此，尽管对电源进行了硬件滤波，为了确保精度要求，在软件中采取相应的滤波算法，再进行一次滤波。

图3　信号处理电路铁接口电路

1.3　为阀控系统而设的其它的接口
　　执行元件的输出由光栅检测,因所用光栅数显表输出是20位的BCD码，可通过8255扩展的PA、PB和PC口读入，经软件处理转换成二进制数。
　　压力传感器的输出，因其电压、电流都满足8098单片机的A/D 输入要求，故可直接用对它进行转换采样。

2　软件结构与设计

2.1　总体结构
　　整个软件包括两部分，即监控软件和控制软件。监控软件主要完成人机接口功能；整个软件的核心是控制软件，它完成对阀和系统的控制。图4 是整个程序的简化框图,其中,因控制的实时性要求, 从控制程序返回到监控程序,是由软件复位过来的,监控软件和控制软件所使用的存储空间,绝大多数可以交叉重复而不致于引起混乱。

图4　软件总体结构简化框图

2.2　监控软件
　　由于8098芯片复位后，程序计数器指向2080地址单元，系统自动地从此处开始, 运行程序。故在此设置一条关中指令，然后进行一些初始化，等待从键盘的输入，根据键值散转，执行相应的程序。程序框图如图5所示。
2.2.1　初始化
　　(a) 关闭所有中断
　　(b) 设置堆栈指针, 在本系统中，对堆栈的访问主要有程序的调用和中断而产生，其最大压入深度不超过64个字节。
　　(c) 内部RAM及有关外部RAM清零。
　　(d) 封锁PWM输出及A/D输出, 防止系统误动而产生不良影响。
　　(e) 8279初始化；
　　键盘/显示方式设置命令字，通过CPU送入控制控制10H, 即八位显示、左入口、编码扫描、双键锁定方式。
　　时钟命令字，为了获得8279内部要求的100 KHz, 须将ALE进行6分频，故命令字为26 H。
　　读显示RAM,取读后地址自动加 1 的方式, 故其命令字为 70 H；写显示RAM，取写后地址自动加1的方式, 命令字为90 H；清除显示RAM, 给显示RAM写入“P”。

图5　监控程序框图

2.2.2　人机对话
　　经过上述初始化后，就可开始进行人机对话。其主要功能是，CPU 识别工作人员从键盘送入的命令、数据，并转而去执行相应的程序。
　　键盘设16个数据键0～F,四个功能键LAST、RESET、NEXT/PRO和EXEC键。其中,RESET被按下后系统会自动上电复位,不需要CPU的识别处理。EXEC键被按下,则转去执行控制程序的初始化程序。NEXT、LAST键是显示并可修改当前地址单元的下一个、上一个单元的内容；如果当前没有显示任何单元，则此时按下LAST无效,而NEXT转为“PRO ”键功能，即此键被按下，被显示和可修改的单元, 是存放控制命令及数据的首地址7FF0H。
2.3　控制软件
　　考虑到系统的要求，控制软件需要完成阀的调节、系统调节、为了保证程序按一定的系列执行所必要的中断、定时以及相应的一些数据采集、输入和处理等。图6是控制软件总体框图；对各个部分说明如下：
2.3.1　初始化
　　在关闭中断的状态下，实现对控制程序的下述几个初始化工作。
　　(a).对PID 程式(阀的调节)计算中的一些标志、输入E、输出U清零。将由Kp、 Ki、Kd、采样周期T及低通滤波器的时间常数T_f, 计算得到的Qi、Mi赋予给它的存储单元。在PID 程序中，数的表示及运算均采用定点数的方式来处理。尽管8098本身具有丰富的指令系统, 设有带符号数和不带符号数的加、减、乘、除运算指令，给编程带来了极大的方便；但PID 程序的运算过程中，因定点数的表示范围有限，中间难免有溢出之处,为此设有几个判断标志，在运行PID 程序之前也需要对它们初始化。

图6　控制软件总体框图

　　(b).采样时间到标志清零；
　　(c).比例阀流量死区的基本值赋值；设置PWM 的周期、最大输出电流( 包括颤振信号的频率和幅值 )；输出电流清零，以避免输出单元的随机值引起系统的误动。
　　(d).软件定时中断和 HSO中断初始化；开放这两个中断，即INT－MASK赋予＃28H，同时，把两个中断服务子程序的入口地址放入相应的中断向量单元。
　　(e).设置堆栈指针，SP指向内部RAM中的00FEH单元。
2.3.2　采样及计算程序
　　(a). 读给定的位移；输入的位移是以十进制数的方式放入7FF0H～7FF2H的，因此，需要调用一次三字节的BCD码转换成二进制数的程序，其结果放入40H～42H这三个字节单元，并在整个控制程序运行期间保存。
　　(b).计算增量式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，由于至少存在一个PID程序(阀的调节), 而PID中的运算参数与采样周期T有关, 为了PID控制算法的正确实现, 本控制程序通过软件定时来实现保证固定的采样周期。固定采样周期的获得，实际上是通过等待, 把每次程序循环运行的时间差距拉平。此措施的先决条件是，采样周期必须大于完成一个循环运行所需要的最长时间，即对采样频率的最大值有个限制。
　　以下是控制软件的各个功能模块。
　　(a).采样、输入系统反馈数据,需要采样或读入的数据有阀芯的位移,以及阀控系统所需的执行元件位移和系统压力等参数。
　　由A/D 采样来的数据(阀芯位移及压力等参数),还需经滤波处理后放入指定的单元。
　　执行元件的位移，从二次仪表得到的BCD码还需经数制数转换程序处理。
　　本文仅用到阀芯位移的采集及滤波，其它是为阀控系统所准备。
　　(b). 阀控系统调节程序,是阀控系统所需的控制策略。本文仅作信号发生器使用。
　　(c). 阀的调节程序,根据给定量和反馈量的关系,处理和计算的结果放入HSO的输入单元,即作为PWM调制及放大的输入。阀的调节方法是工程上广为应用的PID控制。
2.3.4　中断服务程序
　　中断服务程序中,有一个软件中断定时器，它主要是每当采样时间到，则设置启动标志，主程序可以运行。另一个中断程序是HSO的中断输出,即控制器的输出。
2.3.5　试验测试程序
　　为了对系统的性能进行测试分析，在控制程序中加入了一些试验辅助程序。这些程序主要有：信号的给定及测试数据记录程序,记录的数据经离线处理得动态曲线。

3　试验结果

　　试验研究包括静态性能和动态性能试验。在静态试验时,阀控系统调节程序设置为线性信号发生器，动态测试时则设置为阶跃信号发生器。动态数据用测试数据记录程序记录,静态试验数据则用X-Y函数记录仪记录。
　　从图7和图9可以看出,由数字控制放大器构成的电液比例方向节流阀,具有较满意的动静态性能。从图8也可看出该阀的流量特性在零点附近很差,有死区和滞环等严重的非线性,这是这类节流阀固有的特性。

图7　静态位移曲线

图8　静态流量曲线

图9　阶跃响应曲线

4　结论

　　本文提出的数字控制放大器,取得了比较满意的结果,同模拟控制放大器相比,它集系统控制功能于一体，使得阀控系统具有更高的经济性、可靠性和灵活性。在阀控系统中，节流阀流量特性的严重非线性是需重点考虑解决的问题；在此基础上，由于比例阀较伺服阀有更好的经济性和使用维护的方便性，使得它具有较广阔的应用前景。