摘要：在广大的工程应用领域,以比例阀替代昂贵的伺服阀是一种趋势，本文提出了电液比例方向节流阀数字控制放大器，它以INTEL 8098单片机系统为硬件核心,控制放大器的硬件系统和软件系统,与阀控系统融为一体.以它取代传统的专用的模拟比例控制放大器,不仅在结构上简化了系统,提高了系统的可靠性，而且提高了系统的经济性和应用的灵活性，为比例阀推广使用，奠定了良好的基础。本文给出了它的软件、硬件结构及试验结果。
关键词：数字控制；放大器；比例控制阀；单片处理机
中图分类号：TP27.31、TN722.591
The Digital Control Amplifiers for
Electro-hydrolic Proporational Direction Throttle Valve
Yuan Kun
(Dept. of Mechanical Engineering, Nanchang Institute of Aeronautical Technology)
Abstract:It is a trend that the proporational control valve subsititute for servo valve in most field of engineering applications. This paper introduces a digital control-amplifier for electro-hydrolic proporational direction throttle valve,which is aggregatied with the valve controlal system.Its core is the system of Intel 8098 microcontroler.Subsitituting for the appropriative proporational amplifiers with the digital control amplifiers. It not only simplifies the valve controlal system,raise the reliability, but also raises the economity and agility of the controlal system.The digitalcontrol amplifiers make an foundation for popularizing aplication.The hardware、software and experimental results are presented in thispaper.
Keywords：Digital control；Amplifier；Proporational control valve；Monolithic processors
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Tf, 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Un+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。
