CN1047135A

CN1047135A - 高分辨率脉冲宽度调制

Info

Publication number: CN1047135A
Application number: CN90103939A
Authority: CN
Inventors: 约翰·A·米勒; 理查德·S·利姆休斯; 拉扎穆利·冈达
Original assignee: Vickers Inc
Current assignee: Vickers Inc
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1990-04-21
Publication date: 1990-11-21
Anticipated expiration: 2005-04-21
Also published as: EP0393650A3; JPH03302A; EP0393650A2; CN1022865C; US5023535A

Abstract

一种电动液压伺服系统，该系统中的具有微处理的控制器向伺服阀传送脉冲宽度调制控制信号以便控制液压系统工作液体沿伺服阀流动。通过微处理器时钟周期的增量有选择地增大或减小脉冲的宽度来分别控制脉冲宽度调制控制信号中的每一脉冲宽度。通过定时器中断控制信号的迁移，在中断产生后测量进入中断程序所需的时间，进一步延迟一段补偿时间，因此控制信号的迁移是在定时器中断产生后的预先确定的固定时钟周期之后发生。

Description

本发明涉及产生用于控制电子和机电器件（特别是例如伺服阀一类的电动液压器件）的脉冲宽度调制信号。

美国专利US 4，757，747（V-3951）公开了一种包含有多个电动液压器件（特别是有多个致动器控制的伺服阀）的电动液压系统，其中每一个伺服阀是由一具有微处理器的控制电子线路来控制的，每个器件控制器与主控制器相连接并可由主控制器进行寻址以便协调各器件之间的运行。申请日为1989年9月25日，申请号为07/412，211并已转让给它的受让人的与此有关的美国专利申请（V-4121）披露了一种排液量可变的液压泵，其中的装在一块印制板上的具有可寻址的微处理器的控制电子线路、泵传感器和泵控伺服阀被组装在一单独的组件内。在每一公知的技术中，其伺服阀都被具有微处理器的电子线路所产生的脉冲宽度控制阀控制信号所驱动。美国专利US4502109（V-3771），4，581，699（V-3771C），4，612，489（V-3861），4，625，622（V-3944），4，643，074（V-3817），4，651，272（V-3899），4，714，005（V-3987），4，741，159（V-3818）和4，744，218（V-3939）都披露了适合于对电动液压器件（例如伺服阀控制的致动器和泵）进行微处理器的数字控制的系统。

数字伺服阀控制，特别是具有微处理器的单块印制板的控制已获得广泛的接受和极大的成功。但是，数字控制技术中所存在的某些固有的问题仍有待研究。脉冲宽度调制控制信号的分辨率（其信号的频率必须远高于阀的自然频率以避免使伺服阀的扭矩马达疲劳）通常并不接近于阀本身的分辨率。例如，与在一个方向流动并且在通常伺服阀的设计中的优于1/1000的典型分辨率的值相比较，在脉冲宽度调制频率为2000HZ（周期为500微秒）和微处理器时钟周期为1微秒时，对每一方向中的从零流量到满流量可获得的有效PWM分辨率是。

另一个降低了有效的PWM精度和分辨率的原因是与现行的使用微处理器的控制方案中固有的定时器中断等待时间有关。就是说，脉冲宽度调制信号从高电平向低电平和从低电平向高电平的转换是由软件中的脉冲宽度定时器的中断程序来处理的，当脉冲宽度定时器出现中断时，根据所执行的指令，在该软件中断程序执行之前可能已过去了4到5个微秒，因而存在有一个3微秒的准随机定时误差，该误差可看作是在PWM信号中严重影响系统性能的噪声，特别是影响高速响应系统性能的噪声。

因此，本发明的一般的目的是提供用来广泛控制诸如电动液压设备这样设备的脉冲宽度调制信号的系统和方法，该系统和方法克服了现有技术中存在的上述缺陷。本发明的进一步的目的是提供使脉冲宽度调制控制信号的分辨率提高到至少为1/1000的分辨率特性的系统和方法，该分辨率为现行设计技术所设计的电动液压伺服阀分辨率的典型值。本发明的另一个目的是提供提供获得高分辨率脉冲宽度调制的系统和方法，该系统方法是通过改变控制软件而无须改变任何硬件便可在现行的具有上述特性的具有微处理器的系统中实现。

本发明还企图提供向可控制器件（例如伺服阀）产生高分辨率脉冲宽度调制信号的系统和方法，该伺服阀是根据脉冲宽度调制电子控制信号来反复地对液压系统工作的液体流量进行控制的。具有微处理器的控制器根据来自远处的主控制器或类似控制器的输入命令信号产生按控制器的予定取样频率进行校正的流量命令信号。作为流量命令信号的函数，脉冲宽度调制控制信号被传送到例如伺服阀扭矩马达这样的可控制器件，脉冲宽度调制控制信号为其恒定频率大于控制器取样频率并且其占空比随着阀所需的流向和流量而变化的信号。

根据本发明的第一个重要方面，在保持恒定的脉冲宽度调制频率时，脉冲宽度调制控制信号中的每个脉冲的持续期对每个脉冲来说是被分别控制的。特别是脉冲宽度调制控制信号中的每一个脉冲的持续期是通过增大微处理器的时钟周期而有选择地增大或减小的。因此，在上述的例子中，当取样间隔为6微秒且脉冲宽度调制周期为0.5微秒时，每一取样间隔有12个脉冲宽度调制脉冲（2个/每周期）。通过由一个（1微秒）时钟周期来增大或减小每个脉冲宽度调制脉冲可得到任一方向上从零流量到满流量的理论分辨率值为1/3000，这就是说，在该例子中分辨率改善了12倍。

根据本发明的第二个重要方面，通过测量进入中断程序所需的时间，然后自动补偿这种中断进入时间的偏差值来克服上述的中断等待误差。这是就，由脉冲宽度定时器来确定脉冲宽度调制信号中的每个脉冲的宽度，当定时器定时完毕时自动产生中断，定时器继续定时并测量定时器中断的产生和中断程序实际开始执行之间微处理器时钟周期间隔的数目。中断程序自动对第二个时钟周期进行延时以补偿进入时间，于是由中断程序实施的脉冲宽度调制信号的转换在定时器中断产生后的予定和固定数目的时钟周期之后自动发生。此外，在最佳实施例中实施本发明的上述两个方面时，通过有选择地延迟或提前一个微处理的时钟周期来予置脉冲宽度定时器可使调制控制信号中的每个脉冲持续期增大一个时钟周期和使PWM截止时间缩短一个时钟周期。

根据下面的描述和附加的权利要求及附图将会更好地理解本发明及其目的、特点和优点。其中：

图1是根据本发明的最佳实施方案的包括装有微处理器的控制电子线路的电动流压伺服系统的功能框图;

图2-5所示的图描述了本发明的工作情况;

图6是根据本发明的最佳实施例说明脉冲宽度调制中断程序的操作情况的流程图。

图1示出了包括一具有微处理器的控制器12的电动液压伺服系统10，该控制器12接收来自处的主控制器14的位置输入命令YC。该输入命令通过取样-保持（S/n）电路16传送到加法器18的一输入端。加法器18的另一输入端接收来自传感器20的表示致动器22中的实际位置的信号Y，信号Y通过S/n电路24传送到加法器18。表示位置命令YC和实际位置Y之间的偏差的加法器18的输出在26处被乘以一个常数K并被传送到脉冲宽度调制（PWM）定时器28。定时器28被微处理器时钟29所驱动。定时器28的输出作为命令电压U通过零阶保持电路30传到PWM放大器32，然后作为命令电流I传送到伺服阀34的扭矩马达。伺服阀34由此来控制液压系统的工作液体从泵36和泵38到致动器22的活塞40的另一侧的流动。

为了达到上述目的，图1的系统具有在上述各美国专利中所公开了脉冲宽度调制伺服阀控制的特征。在本发明的最佳实施方案中，控制器12，包括放大器32，与伺服阀一起被组装在具有微处理器的单个组件上，如像在美国专利4，757，741中披露的那样，该文件在此作为参考文献。但是，结合下面的论述将会得知上述方案不仅限于致动器22的伺服阀的控制，还适用于具有利用脉冲宽度调制电子信号进行控制的特点的任何器件。

图2表示的典型的PWM信号I的频率为2000HZ，周期为0.5ms。因而在控制器6毫秒的取样周期T内就有12个极性交错的PWM脉冲。图2所示的50/50的占空比使得图1中所示的阀的阀塞对准了中心，从而使从泵38到致动器22的液压系统工作液体的流量为零。理论上-250单元的流量命令U（图1）可得到100%的占空比，使得在伺服阀34产生一个方向的满流量，而理论上+250单元的信号U可得到0%的占空比，而产生相反方向的满流量。对于1个微秒的微处理器时钟周期，任一方面从零到满流量的分辨率的理论值是1/250。但由于伺服阀的电流饱和，软件的中断时间以及其它的因素的影响，实际上这个例子中的流量命令U只允许人-160变到+160单元，使得与U等于-160时一个方向的满流量脉冲宽度调制信号为I₁，当U等于0时50/50占空比的信号为I₂，当U等于+160时另一个方向的满流动信号为I₃。在这个例子中，根据现有技术可得到的在任一流动方向上的分辨率是1/160。

图4表示现有技术存在的由于软件中断程序而产生的PWM信号I的控制迁移。当脉冲宽度定时器28（图1）定时结束时，根据被执行的指令，迁移可在软件中断执行前4到7个微秒之间随时发生。图4所示的迁移因而可在任一时刻t₁、t₂、t₃或t₄处出现，产生了脉冲宽度调制信号中影响系统性能的准随机“噪声”。在高速响应系统中尤其是这样，在这种系统里控制信号中的这种噪声能引起致动器的细微随机运动。

图6示出了在具有微处理器的控制器12（图1）中使用的控制技术的现行最佳实施例的流程图，根据本发明的现行最佳实施例既消除了中断等待误差又提高了脉冲宽度调制的分辨率。定时器28（图1）予置了表示所需的控制信号脉冲宽度的数目，然后通过微处理器时钟29对其进行时钟驱动，当定时器28定时完毕，例如当定时钟从十六进制数FFFF到OOOO溢出时，产生定时器中断42（图6）。与此同时，微处理器时钟继续对定时器28（图1）进行时钟驱动。当定时器中断42得到应答和微处理器的操作进入图6的中断程序时，定时器28的低字节在44被保存，因此，当定时器溢出计数OOOO和进入中断程序时，可得到定时器中断期间出现的时钟周期数目。在以下的步骤46中，进一步的处理被延迟一段等于用来补偿44中保存的定时器字节中的若干个一微秒时钟周期数目的“等待时间”。就是说，进一步的处理被延迟一段足够产生定时器中断和步骤48中改变PWM输出状态所需的某一特定的予定时间，例如如图6所示的13微秒的时间。因而，PWM信号I的输出状态就精确地在每一定时器中断42产生之后13微秒从低电平到高电平或从高电平到低电平转换，由此而完全消除了图4所示的中断等待误差并可将定时器精度提高到微处理器时钟的1微秒周期。

接着在步骤48改变PWM的输出状态（图6），根据本发明的另一个方面，定时器28（图1）在步骤52予置下一个PWM脉冲宽度之前在步骤50中将下一步动作延迟3、4或5个时钟周期（微秒）。就是说，步骤50的延迟或者是通过3个时钟周期的延迟从下一个PWM脉冲时间中减去1个微秒而对一个4个时钟周期的延迟不改变脉冲时间，或者是通过5个时钟周期的延迟将1个微秒加到脉冲宽度去。在步骤52中定时器予置PWM信号I的下一个脉冲的“导通”和“截止”宽度。定时器28的数目取决于PWM信号所需的额定为空比，并且在每一取样间隔T内所有的PWM脉冲都被校正。例如图3中所示的信号I₁，其定额定“截止”时间为90（250-160）微秒，而额定“保持”时间为410（250+160）微秒，这些数值在每一取样间隔T内保持不变。然后在步骤54中作出决定，是否应从下一个脉冲增加或减少1个时钟周期（1微秒），被补前一个脉冲的减少或增加以使PWM周期P（图2-3）保持恒定，或者作为下一个PWM周期间的增强控制。

图6中的步骤48到步骤54的结果如图5所示。信号I₄表示取样周期T内标准占空比的PWM信号I，比处大约为50/50占空比。信号I₅表示在步骤50（图6）中延迟5个时钟周期后第一个PWM脉冲加入一个时钟周期，接着从第二个PWM脉冲中减去1个时钟周期以保恒定的PWM周期P。信号I₅中余下的脉冲在取样周期T内保持不变，因而信号I₄和I₅之间的控制偏差相当于图3中所示例子的1/1920。同样，图5中的信号I6表示向命令信号的第一和第二脉冲的“截止”期加入1个时钟周期，相应于从第一和第二脉冲“导通”期减去1个时钟周期。在信号I7中，在取样周期T内，1个时钟周期的持续被加到12个“截止”脉冲的每一个中，同时从“导通”脉冲中相应地减去1个时钟周期，这样一来就从每一个PWM信号脉冲中增加或减少1个微秒。当然，如果需要的话，可使用其它的技术向PWM信号脉冲中增加或减少多个时钟周期以获得更高的分辨率。

迄今所述的最佳实施例因为取样周期（与PWM步骤为2000HZ，取样周期为6ms时）仅有12个导通-截止周期可被处理而限制了脉冲宽度的分辨率。如果取样时间能够加倍，则分辨率也可以加倍提高。同样，如果在模拟系统中使用这一概念，通过对更多的导通-截止周期求平均器件（例如模拟阀）不再响应平均值而是响应加减时间增量而得到的调制频率就可提高分辨率。其最低调制频率至少是求平均器件通带的10倍。

Claims

1、由响应电子控制信号而反复地控制液压系统工作液体的流动的装置(34)和具有微处理器的控制装置(12)所构成的电动液压系统，具有微处理器的控制装置(12)由用来接收输入命令的装置、根据所说输入命令予定的取样频率产生流量命令的装置和根据所说的流量命令以大于所说的取样频率的固定频率将脉宽度调制信号传送到所说的信号响应装置所构成，该系统的特征是所说的信号传送装置包括有在保持所说的固定频率不变的情况下分别控制所说脉冲宽度调制控制信号中的单个脉冲宽度的装置。

2、根据权利要求1的系统，其中所说的具有微处理器的控制装置包括有具有固定时钟周期的时钟（29），其中所说的分别控制装置包括通过时钟周期的递增有选择地增大或减小所说脉冲宽度调制信号中的单个脉冲宽度的装置。

3、根据权利要求2的系统，其中所说的具有微处理器的控制装置包括构成脉冲宽度定时器（28）的装置，根据来自所说的定时器的信号启动控制周期的装置，在所说的定时器信号和所说的控制周期的启动之间响应于用来测量一个时间间隔作为第一时间周期的装置，对第二个所说的时钟周期延迟控制周期的操作以补偿所说的第一个时钟周期的装置，在所说的第二个时钟周期后改变所说脉冲宽度调制信号的状态的装置和再启动所说的定时器操作一段相应于所说单个脉冲宽度的时间的装置。

4、根据权利要求3的系统，其中所说的分别控制装置包括对一个第三时钟周期将所说定时器再启动以延迟一段相应于所说的希望的单个脉冲宽度增大或减小的装置。

5、根据权利要求2的系统，其中所说的有选择地增大或减小的装置包括通过一个时钟周期有选择地增大或减小每一所说的脉冲宽度的装置。

6、根据权利要求1的系统，其中所说的具有微处理器的控制装置包括构成脉冲宽度定时器的装置，响应来自所说的定时器信号去启动控制周期的装置，测量所说的定时器信号和所说的控制周期的启动之间的时间间隔的装置，延迟所说的控制周期的操作一段时间以补偿所说间隔的装置和在所说的补偿时间延迟之后改变所说脉冲宽度调制信号状态的装置。

7、根据权利要求1的电动液压系统，其中所说的脉冲宽度定时器确定在一个脉冲宽度控制信号中的每一个脉冲的宽度，响应于来自所说的定时器信号去启动控制周期的装置，测量所说的定时器信号和所说的控制周期的启动之间的时间间隔的装置，延迟一段所说的控制周期以补偿所说的间隔的装置和根据所说的控制周期以补偿所说的间隔的装置和根据所说的控制周期的操作改变所说的脉冲宽度调制控制信号的状态的装置。

8、根据权利要求7的系统，其中所说的具有微处理器的控制装置进一步包括具有固定时钟周期的时钟，其中所说的间隔测量装置测量所说的定时器的信号和所说的控制周期的启动之间的时间间隔作为第一个时钟周期，其中所说的操作延迟装置包括延迟所说的第二个时钟周期的操作以补偿所说的第一时钟周期的装置。

9、根据权利要求8的系统进一步包括通过所说的时钟周期的递增有选择地增大或减小所说的脉冲宽度调制控制信号中的个别脉冲宽度的装置。

10、根据权利要求9的系统，其中所说的有选择地增大或减小装置包括通过一个时钟周期有选择地增大或减小每一个所说的脉冲宽度的装置。

11、一种向具有自然机械频率和使用具有预定取样周期和具有预定时钟周期的时钟的数字控制装置的可控制器件产生脉冲宽度调制控制信号的方法，包括如下步骤：

（a）确定小于所说的取样周期大于所说的自然频率的重复脉冲宽度调制周期，

（b）在每一取样周期的整个期间内同时控制所说的重复频率脉冲宽度调制周期的占空比，以及

（c）在保持所说脉冲宽度调制周期恒定的情况下通过所说的时钟周期的增量分别控制所说的脉冲宽度调制周期中的每一脉冲的宽度。

12、根据权利要求11的方法，其中所说的步骤（c）包括以下的步骤：（c1）通过所说的时钟周期的增量有选择地增大在所说的脉冲宽度调制周期的每一循环期间内的一个脉冲的宽度，和（c2）通过时钟周期的同样大小的增量减小在同一循环期间内的另一脉冲的宽度。

13、根据权利要求12的方法，其中所说的一增益为1。

14、根据权利要求12的方法，其中所说的步骤（a）包括以下的步骤：

（a1）通过所说的时钟周期的递增驱动在所说的数字控制装置中的脉冲宽度定时器，

（a2）向所说的定时器予置所说的脉冲宽度调制周期所希望的第一个脉冲的宽度，

（a3）一旦定时器定时完毕则进入中断程序，

（a4）测量所说的步骤（a3）的持续时间作为第一个所说的时钟周期，

（a5）延迟用于第二个所说时钟周期的中断程序的操作以补偿所说的第一个时钟周期，

（a6）改变所说的脉冲宽度调制信号的状态，和

（a7）向所说的定时器再予置所说脉冲宽度调制周期中的下一个所希望的脉冲宽度。

15、根据权利要求14的方法，其中所说的步骤（c）包括通过所说时钟周期的一增量来延迟所说的定时器操作的步骤。

16、一种向使用具有予定时钟周期的时钟数字控制装置的可控制器件产生脉冲宽度调制控制信号的方法，所说的方法包括如下步骤：

（a）向所说数字控制装置中的脉冲宽度定时器予置所说的脉冲宽度调制信号中的第一个所希望的脉冲宽度，

（b）用所说时钟周期驱动所说的定时器，

（c）一旦所说的定时器定时完毕就在所说的数字控制装置中产生一中断，

（d）一旦所说的中断产生就进入脉冲宽度控制周期，

（e）测量所说的步骤（c）和（d）之间的时间间隔作为第一个所说的时钟周期，

（f）对所说的时钟周期的第二个时钟周期实施进一步的延迟以补偿所说的第一个时钟周期，

（g）改变所说的脉冲宽度调制信号的状态，和

（h）在步骤（a）向所说的定时器再予置所说的脉冲宽度调制信号中的下一个脉冲所希望的脉冲宽度。