一种基于DSP的液压马达控制装置及方法与流程

一种基于dsp的液压马达控制装置及方法
技术领域
1.本发明涉及液压马达控制领域。


背景技术：

2.液压马达是液压系统的一种执行元件，它将液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能(转矩和转速)。液体是传递力和运动的介质。从能量转换的观点来看，液压泵与液压马达是可逆工作的液压元件，向任何一种液压泵输入工作液体，都可使其变成液压马达工况；反之，当液压马达的主轴由外力矩驱动旋转时，也可变为液压泵工况。因为它们具有同样的基本结构要素
‑‑
密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。但是，由于液压马达和液压泵的工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以同类型的液压马达和液压泵之间，仍存在许多差别。首先液压马达应能够正、反转，因而要求其内部结构对称；液压马达的转速范围需要足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求。因此，它通常都采用滚动轴承或静压滑动轴承；其次液压马达由于在输入压力油条件下工作，因而不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。由于存在着这些差别，使得液压马达和液压泵在结构上比较相似，但不能可逆工作。主要应用于注塑机械、船舶、起扬机、工程机械、建筑机械、煤矿机械、矿山机械、冶金机械、船舶机械、石油化工、港口机械等。
3.当前，液压马达控制方法均采用计算机作为主控，通过计算机实现相关控制算法，并且所有控制相关的算法及方法均需要事前编程，控制前期工作量巨大，而且其控制实时性、稳定行较差，复杂度高；因此，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有以计算机作为主控的液压马达控制方法，存在控制过程复杂、稳定性较差的问题，本发明提供了一种基于dsp的液压马达控制装置及方法。
5.一种基于dsp的液压马达控制装置，该控制系统基于dsp实现，用于对电液伺服系统中的液压马达转轴进行驱动控制；dsp包括一阶前馈模块、二阶前馈模块、并联积分模块、位置补偿器、速度补偿器、加速度补偿器、压差补偿器、模数转换器、状态观测器、1号减法器、1号加法器、2号减法器、3号减法器和4号减法器；
6.一阶前馈模块的输入端用于接收液压马达转轴的给定角速度，一阶前馈模块的输出端与至1号加法器的第一加数输入端连接；
7.二阶前馈模块的输入端用于接收液压马达转轴的给定角加速度，一阶前馈模块的输出端与3号减法器的第一被减数输入端连接；
8.1号减法器的被减数输入端用于接收液压马达转轴的给定角位置，1号减法器的减数输入端用于接收液压马达转轴的测量角位置，1号减法器输出端与位置补偿器的输入端与并联积分模块的第一输入端连接；
9.位置补偿器的输出端与1号加法器的第二加数输入端连接，并联积分模块的输出
端与1号加法器的第三加数输入端连接；
10.1号加法器的输出端与2号减法器的被减数输入端连接，2号减法器的减数输入端与状态观测器的角速度输出端连接，2号减法器的输出端与速度补偿器的输入端连接，速度补偿器的输出端与3号减法器的第二被减数输入端连接，3号减法器的减数输入端与状态观测器的角加速度输出端连接，3号减法器的输出端与加速度补偿器的输入端连接，加速度补偿器的输出端与4号减法器的被减数输入端连接，4号减法器的减数输入端用于接收液压马达的压力腔与回油腔的压差测量信号；
11.4号减法器的输出端与压差补偿器的输入端连接，压差补偿器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端输出的控制信号通过控制液压马达的电液伺服阀驱动液压马达转轴运动；
12.状态观测器的第一输入端用于接收模数转换器的输出端输出的控制信号，状态观测器的第二输入端用于接收液压马达转轴的测量角位置，且状态观测器用于根据接收的控制信号对液压马达转轴的测量角位置进行观测，生成的估计角速度和估计角加速度分别通过状态观测器的角速度输出端和角加速度输出端输出。
13.优选的是，液压马达的压力腔和回油腔的压差测量信号是通过压力传感器获取的。
14.优选的是，液压马达转轴的测量角位置是通过编码器测量获取。
15.优选的是，位置补偿器和速度补偿器均采用相位超前-滞后网络实现。
16.优选的是，速度补偿器所采用的相位超前-滞后网络的状态方程为：
[0017][0018]
其中，u
c(k)
为k时刻速度补偿器输出的速度补偿控制量；
[0019]uc(k-1)
为k-1时刻速度补偿器输出的速度补偿控制量；
[0020]
t0为时间常数；
[0021]
ts为采样周期；
[0022]
h0为超前滞后因子；
[0023]k′
为放大倍数；
[0024]
ε
(k)
为k时刻速度补偿器所接收的2号减法器输出的差值结果；
[0025]
ε
(k-1)
为k-1时刻速度补偿器所接收的2号减法器输出的差值结果。优选的是，位置补偿器所采用的相位超前-滞后网络的状态方程为：
[0026][0027]
其中，u
s(k)
为k时刻位置补偿器输出的角位置偏差补偿控制量；
[0028]us(k-1)
为k-1时刻速位置补偿器输出的角位置偏差补偿控制量；
[0029]
t0为时间常数；
[0030]
ts为采样周期；
[0031]
h0为超前滞后因子；
[0032]k′
为放大倍数；
[0033]
ε
′
(k)
为k时刻位置补偿器所接收的1号减法器输出的角位置偏差；
[0034]
ε
′
(k-1)
为k-1时刻位置补偿器所接收的1号减法器输出的角位置偏差。
[0035]
优选的是，公式一中，
[0036]
当h0＞1时，速度补偿器所采用的相位超前-滞后网络为超前网络；
[0037]
当h0＝1时，速度补偿器所采用的相位超前-滞后网络为作为比例放大器；
[0038]
当0＜h0＜1时，速度补偿器所采用的相位超前-滞后网络为滞后网络。
[0039]
优选的是，公式二中，
[0040]
当h0＞1时，位置补偿器所采用的相位超前-滞后网络为超前网络；
[0041]
当h0＝1时，位置补偿器所采用的相位超前-滞后网络为作为比例放大器；
[0042]
当0＜h0＜1时，位置补偿器所采用的相位超前-滞后网络为滞后网络。
[0043]
优选的是，一阶前馈模块采用一阶前馈算法实现，二阶前馈模块采用二阶前馈算法实现。
[0044]
采用所述的一种基于dsp的液压马达控制装置实现的控制方法，该控制方法包括如下过程：
[0045]
步骤s1、一阶前馈模块对其接收的液压马达转轴的给定角速度进行补偿，并将给定角速度补偿结果送至1号加法器的第一加数输入端；
[0046]
二阶前馈模块对其接收的液压马达转轴的给定角加速度进行补偿，并将给定角加速度补偿结果送至3号减法器的第一被减数输入端；
[0047]
1号减法器接收的液压马达转轴的给定角位置与测量角位置作差后，获得的角位置偏差同时送至并联积分模块和位置补偿器，其中，并联积分模块用于对接收的角位置偏差进行积分后送至1号加法器的第三加数输入端，位置补偿器根据接收的角位置偏差生成角位置偏差补偿控制量，并将角位置偏差补偿控制量送至1号加法器的第二加数输入端，1号加法器对接收数据求和后，将其求和结果送至2号减法器的被减数输入端；
[0048]
步骤s2、2号减法器的减数输入端接收状态观测器输出的估计角速度，3号减法器的减数输入端接收状态观测器输出的估计角加速度；
[0049]
2号减法器对接收的数据求差，并将其差值结果送至速度补偿器，速度补偿器对接收的差值结果生成速度补偿控制量，并将速度补偿控制量送至3号减法器的第二被减数输入端；
[0050]
3号减法器对接收的数据求差后，将其差值结果送至加速度补偿器，加速度补偿器对接收的差值结果进行加速度补偿，生成加速度补偿控制量，并将该加速度补偿控制量送至4号减法器；
[0051]
4号减法器对接收的加速度补偿控制量与压差测量信号进行求差，获得压差偏差，并将该压差偏差送至压差补偿器，压差补偿器对接收的压差偏差进行补偿，并将生成的压差偏差补偿量送至模数转换器；
[0052]
步骤s3、模数转换器将接收的压差偏差补偿量乘以预设增益后，再进行模数转换，并将模数转换后的结果作为控制信号控制液压马达的电液伺服阀驱动液压马达转轴运动，从而实现对液压马达转轴的控制。
[0053]
本发明带来的有益效果是：本发明根据液压马达控制机理，提供了一种基于dsp的液压马达控制装置和方法，通过本发明方法，可简化液压马达的控制过程，通过本发明系统对角位置偏差、角速度偏差、角加速度偏差、以及采集的压差测量信号进行补偿从而生成高
精度的控制信号，从而提高对液压马达转轴的精确控制，实现对液压马达转轴的精确跟踪及控制，提高对马达的控制精度和稳定性，本发明可满足市面上大多数电液伺服系统控制需求。通过dsp作为主控载体，采用c 语言对整体控制方法进行编程，同时集成控制相关算法；应用dsp采用开放式寄存器和参数调整算法，可满足不同控制精度的需求。
[0054]
本发明主要用于对电液伺服系统中的液压马达的转轴进行带前馈的多回路控制。
[0055]
采用本发明控制方法，对液压马达控制无需编程也无需大型计算机作为主控载体，在低精度控制方面可直接应用，高精度控制方面可自行调整控制参数，满足不同控制精度需求。提高控制稳定行、增加控制实时性。无需编程经验既可实现液压马达的精确控制。本发明还具有以下方面的优点：
[0056]
应用简单：一种基于dsp的液压马达控制装置应用时，对液压马达控制过程简化，提高应用便捷性，只需设置相应参数后，即可轻松输出液压马达所需控制数据；
[0057]
高实时性：高度优化的控制算法结合dsp嵌入式结构，保证强实时性能；
[0058]
高智能性：具备专家参数调整能力，根据外部数据反馈情况，自行整定内部所需控制参数；
[0059]
开放调试接口：dsp的所有内部参数寄存器都具备外部调整能力，针对高精度应用场合，可自行调整内部参数；
[0060]
高稳定性：通过算法的不断优化及大量实际项目应用，本发明方法稳定性及佳；
[0061]
调试测试一体化：调试模式与测试模式指令协议一致，调试完成后无需进行模式转换，直接可进行正式控制。
附图说明
[0062]
图1是本发明所述一种基于dsp的液压马达控制装置的原理示意图。
具体实施方式
[0063]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0065]
实施例1：
[0066]
参见图1说明本实施例所述的一种基于dsp的液压马达控制装置，该控制系统基于dsp实现，用于对电液伺服系统中的液压马达转轴进行驱动控制；dsp包括一阶前馈模块1、二阶前馈模块2、并联积分模块3、位置补偿器4、速度补偿器5、加速度补偿器6、压差补偿器7、模数转换器8、状态观测器9、1号减法器10、1号加法器11、2号减法器12、3号减法器13和4号减法器14；
[0067]
一阶前馈模块1的输入端用于接收液压马达转轴的给定角速度，一阶前馈模块1的输出端与至1号加法器11的第一加数输入端连接；
[0068]
二阶前馈模块2的输入端用于接收液压马达转轴的给定角加速度，一阶前馈模块1
的输出端与3号减法器13的第一被减数输入端连接；
[0069]
1号减法器10的被减数输入端用于接收液压马达转轴的给定角位置，1号减法器10的减数输入端用于接收液压马达转轴的测量角位置，1号减法器10输出端与位置补偿器4的输入端与并联积分模块3的第一输入端连接；
[0070]
位置补偿器4的输出端与1号加法器11的第二加数输入端连接，并联积分模块3的输出端与1号加法器11的第三加数输入端连接；
[0071]
1号加法器11的输出端与2号减法器12的被减数输入端连接，2号减法器12的减数输入端与状态观测器9的角速度输出端连接，2号减法器12的输出端与速度补偿器5的输入端连接，速度补偿器5的输出端与3号减法器13的第二被减数输入端连接，3号减法器13的减数输入端与状态观测器9的角加速度输出端连接，3号减法器13的输出端与加速度补偿器6的输入端连接，加速度补偿器6的输出端与4号减法器14的被减数输入端连接，4号减法器14的减数输入端用于接收液压马达的压力腔与回油腔的压差测量信号；
[0072]
4号减法器14的输出端与压差补偿器7的输入端连接，压差补偿器7的输出端与模数转换器8的输入端连接，模数转换器8的输出端输出的控制信号通过控制液压马达的电液伺服阀15驱动液压马达转轴运动；
[0073]
状态观测器9的第一输入端用于接收模数转换器8的输出端输出的控制信号，状态观测器9的第二输入端用于接收液压马达转轴的测量角位置，且状态观测器9用于根据接收的控制信号对液压马达转轴的测量角位置进行观测，生成的估计角速度和估计角加速度分别通过状态观测器9的角速度输出端和角加速度输出端输出。
[0074]
本实施方式中，位置补偿器4、速度补偿器5、一阶前馈模块1和二阶前馈模块2均可通过现有技术实现，一阶前馈模块1主要用于对给定角加速度进行动态跟踪，二阶前馈模块2主要用于对给定角速度进行动态的跟踪；位置补偿器4主要用于对角位置偏差进行校准，速度补偿器5主要用于对角速度偏差进行校准，加速度补偿器6主要用于对角加速度进行补偿，压差补偿器7主要用于根据接收的压差测量信号对所接收的信号进行数据补偿，从而生成高精度的控制信号，从而提高对液压马达转轴的精确控制，实现对液压马达转轴的精确跟踪及控制，提高控制的稳定性，控制过程简单。
[0075]
应用时，dsp可采用ti公司的c6748dsp，主频高达456mhz，具有ddr2：128/256mbyte,nand flash:128/256mbyte的灵活配置存储空间。
[0076]
本发明采用控制及调试模式一体化设计，控制参数和调试参数统一规划，参数调试完成后，即刻直接进行控制，无需控制与调试模式转换。
[0077]
更进一步的，具体应用时，加速度补偿器6对接收的数据乘以加速度控制系数，实现对加速度的补偿，压差补偿器7对接收的数据乘以压差控制系数对压差的补偿。
[0078]
进一步的，液压马达的压力腔和回油腔的压差测量信号是通过压力传感器获取的。
[0079]
更进一步的，液压马达转轴的测量角位置是通过编码器测量获取。
[0080]
更进一步的，位置补偿器4和速度补偿器5均采用相位超前-滞后网络实现。
[0081]
更进一步的，速度补偿器5所采用的相位超前-滞后网络的状态方程为：
[0082]
[0083]
其中，u
c(k)
为k时刻速度补偿器5输出的速度补偿控制量；
[0084]uc(k-1)
为k-1时刻速度补偿器5输出的速度补偿控制量；
[0085]
t0为时间常数；
[0086]
ts为采样周期；
[0087]
h0为超前滞后因子；
[0088]k′
为放大倍数；
[0089]
ε
(k)
为k时刻速度补偿器5所接收的2号减法器12输出的差值结果；
[0090]
ε
(k-1)
为k-1时刻速度补偿器5所接收的2号减法器12输出的差值结果。
[0091]
更进一步的，在公式一中，
[0092]
当h0＞1时，速度补偿器5所采用的相位超前-滞后网络为超前网络；
[0093]
当h0＝1时，速度补偿器5所采用的相位超前-滞后网络为作为比例放大器；
[0094]
当0＜h0＜1时，速度补偿器5所采用的相位超前-滞后网络为滞后网络。
[0095]
更进一步的，位置补偿器4所采用的相位超前-滞后网络的状态方程为：
[0096][0097]
其中，u
s(k)
为k时刻位置补偿器4输出的角位置偏差补偿控制量；
[0098]us(k-1)
为k-1时刻速位置补偿器4输出的角位置偏差补偿控制量；
[0099]
t0为时间常数；
[0100]
ts为采样周期；
[0101]
h0为超前滞后因子；
[0102]k′
为放大倍数；
[0103]
ε
′
(k)
为k时刻位置补偿器4所接收的1号减法器10输出的角位置偏差；
[0104]
ε
′
(k-1)
为k-1时刻位置补偿器4所接收的1号减法器10输出的角位置偏差。
[0105]
更进一步的，在公式二中，
[0106]
当h0＞1时，位置补偿器4所采用的相位超前-滞后网络为超前网络；
[0107]
当h0＝1时，位置补偿器4所采用的相位超前-滞后网络为作为比例放大器；
[0108]
当0＜h0＜1时，位置补偿器4所采用的相位超前-滞后网络为滞后网络。
[0109]
更进一步的，一阶前馈模块1采用一阶前馈算法实现，二阶前馈模块2采用二阶前馈算法实现。
[0110]
实施例2：
[0111]
具体参见图1，采用所述的一种基于dsp的液压马达控制装置实现的控制方法，该控制方法包括如下过程：
[0112]
步骤s1、一阶前馈模块1对其接收的液压马达转轴的给定角速度进行补偿，并将给定角速度补偿结果送至1号加法器11的第一加数输入端；
[0113]
二阶前馈模块2对其接收的液压马达转轴的给定角加速度进行补偿，并将给定角加速度补偿结果送至3号减法器13的第一被减数输入端；
[0114]
1号减法器10接收的液压马达转轴的给定角位置与测量角位置作差后，获得的角位置偏差同时送至并联积分模块3和位置补偿器4，其中，并联积分模块3用于对接收的角位置偏差进行积分后送至1号加法器11的第三加数输入端，位置补偿器4根据接收的角位置偏
差生成角位置偏差补偿控制量，并将角位置偏差补偿控制量送至1号加法器11的第二加数输入端，1号加法器11对接收数据求和后，将其求和结果送至2号减法器12的被减数输入端；
[0115]
步骤s2、2号减法器12的减数输入端接收状态观测器9输出的估计角速度，3号减法器13的减数输入端接收状态观测器9输出的估计角加速度；
[0116]
2号减法器12对接收的数据求差，并将其差值结果送至速度补偿器5，速度补偿器5对接收的差值结果生成速度补偿控制量，并将速度补偿控制量送至3号减法器13的第二被减数输入端；
[0117]
3号减法器13对接收的数据求差后，将其差值结果送至加速度补偿器6，加速度补偿器6对接收的差值结果进行加速度补偿，生成加速度补偿控制量，并将该加速度补偿控制量送至4号减法器14；
[0118]
4号减法器14对接收的加速度补偿控制量与压差测量信号进行求差，获得压差偏差，并将该压差偏差送至压差补偿器7，压差补偿器7对接收的压差偏差进行补偿，并将生成的压差偏差补偿量送至模数转换器8；
[0119]
步骤s3、模数转换器8将接收的压差偏差补偿量乘以预设增益后，再进行模数转换，并将模数转换后的结果作为控制信号控制液压马达的电液伺服阀15驱动液压马达转轴运动，从而实现对液压马达转轴的控制。
[0120]
本发明主控芯片采用可编程dsp芯片实现，控制算法可以c 语言编写后移植到dsp中，控制程序以上位机指令周期为周期，定时运行，上位机软件只需要给定角位置、角速度、角加速度、启动及停止等信号输入，各传感器的数据做为反馈信号，各级补偿器控制参数可调整，完成整个闭环控制最终得出控制量，送至液压马达的电液伺服阀15，液压马达的电液伺服阀15驱动液压马达转轴达到目标位置或角度，控制液压马达完成指定动作要求。
[0121]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。