基于電流采樣模塊的2D數字伺服閥控制器設計

引言

流量、頻響和精度是評價電液伺服系統好壞的重要指標。如何提高性能，滿足各種應用場合，已經成為電液伺服系統研究中亟待突破的重要課題。電液伺服閥是電液伺服系統的核心控制元件，其性能在很大程度上決定了整個系統的性能。

數字控制技術的不斷發展，推動了數字閥的出現，如2D數字伺服閥。由于2D數字伺服閥將導控級和功率級集成在閥芯上，具有結構簡單、體積小、響應速度快、精度高、抗污染能力好等優點，使其在軍工領域得到了較好的應用。

2D數字伺服閥以步進電機作為電—機械轉換器，其性能在很大程度上決定了2D數字伺服閥的性能。

2D數字伺服閥的控制原理

2D數字伺服閥的機械部分主要由閥芯和閥體組成，名稱由來是因為閥芯可以在閥體內完成水平和旋轉兩種運動。

2D數字伺服閥運用伺服螺旋機構，將功率級和先導級集成在閥芯上。通過改變控制信號，經過控制器內部算法的調整，使電-機械轉換器(步進電機)兩相繞組的電流發生變化，改變電-機械轉換器的旋轉角度，經過撥桿撥叉機構，帶動閥芯做旋轉運動，具體的結構參考參考文獻3。

在閥芯旋轉的同時，由于敏感腔壓力的變化，使閥芯同時作直線運動，改變閥口的開口量，實現對流量的調節。

2D數字伺服閥是以混合式步進電機作為電—機械轉換器。傳統上步進電動機是以步進的方式工作的，使得閥的分辨率較低。雖然采用細分的方式可以增加模擬極對數，提高分辨率，但卻降低了閥的響應速度，存在著分辨率和響應速度之間的矛盾。

實際上，混合式步進電動本質上可以看成多極永磁感應子式同步電機，當電機兩相繞組分別通相位相差90°的電流時，在電機內部會產生一個旋轉磁場，在此旋轉磁場的作用下，電機轉子產生轉動，當兩相電流變化一周，旋轉磁場在電流內部旋轉一周，電機轉子轉過一個齒距角，因此，通過對兩相電流的控制，可以旋轉磁場的旋轉運動從而驅動轉子在任意位置快速定位。

根據上述思想，這里提出了步進電動機電流和位置雙閉環控制方式，如圖1所示。圖1中，電流閉環的目的就是產生驅動電機轉子快速在任意位置定位的恒定幅值的旋轉磁場。

圖1中的位置閉環的目的就是實現轉子無失步地位置控制，克服步進電動機傳統控制下不可避免的失步缺點。通過電流和位置雙閉環控制，使得2D數字伺服閥電—機械轉換器兼具高響應速度和分辨率。

圖1 2D數字閥電-機械轉換器的控制原理

控制器的軟硬件設計

2.1 控制器的硬件設計

1）主控單元的設計

在電-機械轉換器的控制中采用模糊PID控制算法，實現PID參數的實時調節，達到提高動靜態特性的目的。設計選擇的主控芯片是TMS320F28335DSP芯片。

這款芯片是可以計算32位乘加運算的浮點數字信號處理芯片，主頻最高可達150MHz，可以用來控制電機和各種電力設備。

主控芯片主要完成對兩相電流的采樣值和位移傳感器的角位移值的處理，實現PID控制和相位補償等算法。主控電路示意圖如圖2所示。

圖2 主控電路示意圖

2）驅動模塊的設計

電-機械轉換器選用的是兩相混合式步進電機，它的控制需要兩個H橋單元。每個H橋單元都由4個MOSEFT管以及其他的電阻、電容、二極管等器件組成。這樣造成控制器的體積較大，不利于和閥體集成在一起。為了解決這個問題，本次設計采用的A5988:四路DMOS全橋式PWM電機驅動器驅動芯片。

A5988 是一種四路 DMOS 全橋式驅動器 IC，最多可以驅動兩臺步進電機或四臺直流機每個全橋輸出的額定值為 1.6 A 和 40 V。A5988 包括固定停機時間脈寬調制 (PWM) 電流穩壓器和 2 位非線性 DAC （數字-模擬轉換器），DAC 可以以全步進、半步進、四分之一或八分之一步進模式控制步進電機，并可以以向前、反轉和滑行模式控制直流電機PWM 電流穩壓器使用 Allegro 專利混合衰減模式來減少可聞電機噪音、增加步進精確度并減少功率耗散。

提供的內部同步整流控制電路可以改善 PWM 操作過程中的功耗。保護功能包括滯后過熱關機、欠電壓鎖定 (UVLO) 及交叉電流保護。不需要特別的加電排序。 驅動電路圖如圖3所示。

圖3 驅動模塊設計

3）電流采樣模塊設計

電流采樣一般采用的是在回路中串入電阻，利用安培定理，檢測電阻上的壓降來得到流過電阻的電流。采樣電阻比較精密，并且阻值比較小，一般為0.01～0.1Ω左右。由于被檢測的電流的幅值較大，所以所需要的采樣電阻的功率也較大，體積也較大。為了減小控制器的體積，本次設計采用的是ACS712(或***CH701)線性霍爾電流傳感器。

傳感器的內部集成有一個高精度、低偏置和線性的霍爾傳感器。當霍爾傳感器檢測到由于銅導路徑電流流過而產生的磁場時，將其轉化為成比例的電壓。此傳感器可以流過的電流最大為5A，內部銅導路徑的阻抗為1.2mΩ，所以功率損失比較小。

傳感器在沒有電流流過時，輸出端口的電壓為供電電壓的50%，精度為0.185V/A。采樣得到的輸出電壓，需要經過放大器的變換，輸入到DSP的AD模塊。電流采樣模塊主要用來實現對步進電機兩相電流的采樣，從而構成電流閉環，提高控制的精度和響應速度。具體的設計電路如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

2.2控制器的軟件設計

軟件主要是為了實現電流和位置雙閉環，以及相位補償等。通過算法調整輸出PWM波的占空比，改變兩相繞組的電流大小。系統程序流程圖如圖5。

軟件設計主要分為ePWM、SPI和AD等模塊的中斷程序設計。

圖5 程序流程圖

1）ePWM中斷子程序

ePWM中斷子程序主要根據輸入信號和由角位移傳感器檢測到的角位移信號以及電流傳感器檢測到的兩相電流來實現電流環和位置環雙閉環。通過PID以及相位補償算法進一步提高控制的精度和動靜態特性。同時子程序還完成上電后零位的查找。

2）SPI中斷子程序

SPI中斷子程序主要用來接收角位移傳感器輸出的電-機械轉換器（步進電機）的轉子的旋轉角度，并對其進行處理。為了提高角位移信號的精度，對三次采樣的角位移值進行排序，然后取中間值作為當前的角位移值。

3）AD中斷子程序

輸入信號和兩相電流的采樣值都要經過AD采樣后，再進行平均，作為輸入信號和電流采樣值輸入到DSP中。F28335的AD模塊有16路采樣電路，可以對輸入信號和電流采樣信號進行多次采樣，然后對采樣值進行排序，去掉大、小兩個極值進行平均運算，得出采樣電流和輸入信號。

結論

以CH701為電流檢測芯片芯片，改變電流檢測的方式和電-機械轉換器的驅動方式，不僅利于閥體和控制器的集成，還提高了伺服閥的動靜態特性。

通過試驗可以得知，在設計的控制器的控制下，2D數字伺服閥的頻寬為180Hz左右，階躍上升時間為6.5ms，提升了伺服閥的整體性能。

CH701霍爾電流傳感器IC，是工業、汽車、商業和通信系統中交流或直流電流傳感的經濟而精確的解決方案。

小封裝是空間受限應用的理想選擇，同時由于減少了電路板面積而節省了成本。典型應用包括電機控制、負載檢測和管理、開關電源和過電流故障保護。

CH701可以檢測到50A峰值的電流。

如果需要檢測更大電流，需要更高的隔離電壓，可以選擇更大電流范圍的產品，比如16腳的CH701W系列，電流范圍可以到70A，絕緣耐壓可以到4800Vrms：

審核編輯：劉清