電液伺服系統(tǒng)嵌入式數(shù)字控制器

1．?dāng)?shù)字式電液伺服裝置

數(shù)字式電液伺服裝置由基于嵌入式伺服放大器的電液伺服閥、嵌人式控制器、角位置傳感器、伺服閥診斷與動壓反饋集成塊、液壓系統(tǒng)等部分組成。數(shù)字式電液伺服裝置的液壓系統(tǒng)如圖32所示。

雙聯(lián)泵3由電動機1驅(qū)動，液壓泵壓出的油液經(jīng)精過濾器8到電液伺服閥9。系統(tǒng)的壓力由溢流閥6.1調(diào)定。當(dāng)系統(tǒng)的壓力達到卸荷閥5的控制壓力(大約低于溢流閥6.1的調(diào)定壓力0.3MPa)時，卸荷閥5接通油路，雙聯(lián)泵3的第一級泵壓出的油流回油箱。如果系統(tǒng)的壓力下降至比溢流閥6.1的調(diào)定壓力大約低0.5MPa時，卸荷閥5關(guān)閉，雙聯(lián)泵的第一級又自動恢復(fù)向系統(tǒng)供油。電液伺服閥9根據(jù)輸入信號大小來控制工作缸11的動作。伺服閥輸出油口前裝有一對液控單向閥10，當(dāng)系統(tǒng)壓力意外失落時，單向閥10關(guān)閉工作缸進出口油路，液壓缸的活塞被油液鎖住，與之連接的輸出軸則在原位不動，防止系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作。

在電動機1關(guān)閉時，該系統(tǒng)能用手動泵17人工泵油以驅(qū)動工作缸動作，其動作方向由三位四通手動換向閥16確定。

2．嵌入式控制器的功能和特點

對象和負載的變化會導(dǎo)致液壓控制系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的變化，而傳統(tǒng)的模擬液壓伺服裝置調(diào)整范圍有限，無法實現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)場整定，因此其控制器只能是一種根據(jù)不同對象而專門設(shè)計、任務(wù)專一、缺乏柔性硬件，因此使用不便。維護困難這種狀況嚴(yán)重阻礙了液壓伺服系統(tǒng)的普及應(yīng)用。

嵌入式數(shù)字控制器組成框圖如圖33所示。

嵌入式數(shù)字控制器的功能和特點有：

(1)數(shù)字式、一體化采用嵌入式計算機和嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，實現(xiàn)了伺服控制器的數(shù)字化及與伺服裝置的一體化。

(2)工作模式具有程序控制和微壓力反饋控制模式兩種任選模式。

(3)柔性設(shè)置可實現(xiàn)面向用戶的分段程序設(shè)定、數(shù)字PID設(shè)定、工作模式設(shè)定、傳感器設(shè)定、斜坡時間設(shè)定等功能。

(4)控制算法具有數(shù)字PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法、模型跟蹤算法、滯環(huán)補償算法和數(shù)字濾波算法。

(5)遠程數(shù)據(jù)通信具有工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS通口，可實現(xiàn)車間級和廠級的網(wǎng)絡(luò)控制。

(6)自診斷具有跟蹤精度自動測試、閥診斷、通道診斷等自診斷功能，診斷結(jié)果可通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程傳送。

3．硬件配置

嵌入式數(shù)字控制器的硬件平臺為EC31541CLDNA型單板機，該單板機CPU采用

美國國民半導(dǎo)體公司的低功耗整合型處理器GeodeGX1。GeodeGX1運行時不用散熱風(fēng)扇，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。單板機主頻為200MHz，具有128MB、RAM、16MB DiskonChip電子盤。利用該單板機已有的PC/104總線，可以擴充PC/104總線的數(shù)據(jù)采集模塊HT 7484。

(1)嵌入式數(shù)字控制器數(shù)據(jù)采集模塊指標(biāo)。

1) A/D性能。單端16路A/D，轉(zhuǎn)換時間為10s，12位A/D分辨率，轉(zhuǎn)換芯片是AD774;單極性時輸入量程為0～5v或0～10V，雙極性時輸入量程為±2.5、±5、±10V，軟件查詢工作方式。

2) D/A性能。獨立4路輸出，輸出信號范圍為0～5v或0～10、±5、±10V。D/A轉(zhuǎn)換分辨率：12位，轉(zhuǎn)換芯片是DAC7625； D/A轉(zhuǎn)換時間≤1s電流輸出方式負載能力為4～20mA/每路。

3) DI/DO性能。16路TTI電平開關(guān)量輸入/輸出，范圍是0～5v。

(2)通信接口。嵌入式數(shù)字控制器通信接口是利用西門子的ASPC3實現(xiàn)了PROFI-BUS DP現(xiàn)場總線接口，Realtek的網(wǎng)絡(luò)芯片RTI8139實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)接口。RTI8139芯片遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的功能，可以方便地和MCU系統(tǒng)進行接口。

4．軟件操作系統(tǒng)

嵌入式控制器的操作系統(tǒng)選用VxWorks。其主要組成部分為：實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、I/O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、板級支持包、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、目標(biāo)代理和實用庫。

VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)是一個高性能、可裁減的實時操作系統(tǒng)。它支持包括x86、POWERPC、SPARC、ARM、MIPS等幾乎所有流行的CPU，適用于不同的硬件平臺，支持應(yīng)用程序的動態(tài)鏈接和動態(tài)下載，適應(yīng)于惡劣的運行環(huán)境等特點。VxWorks的微內(nèi)核Wind是一個具有較高性能的、標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，其主要特點包括：快速多任務(wù)切換、搶占式任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信手段多樣化等。該內(nèi)核具有任務(wù)間切換時間短、中斷延遲小、網(wǎng)絡(luò)流量大等特點，與其他嵌入式實時操作系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢。VxWorks對其他網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“透明”訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過程調(diào)用(RPC)、SNMP、遠程文件訪問以及B(X) TP和ARP代理。

5．嵌入式數(shù)字控制器的軟件模塊及功能

軟件設(shè)計采用自頂向下的層次結(jié)構(gòu)法和自底向上的程序編制法。層次結(jié)構(gòu)的關(guān)系是一種樹狀結(jié)構(gòu)的從屬關(guān)系，即上層模塊只能控制下層模缺的執(zhí)行權(quán)。它包括主程序塊、控制程序塊、監(jiān)測程序塊、閥診斷程序塊。通過面向用戶的觸摸式程序界面，分別可以實現(xiàn)“微壓差控制及工藝矩陣設(shè)置”、“程序控制及目標(biāo)曲線設(shè)定”、“PID參數(shù)設(shè)置”、“控制算法選擇”、“傳感器選擇設(shè)置”、“斜坡設(shè)定”、“伺服閥特性自診斷”、“位置跟蹤特性自診斷”、“通道測試”等功能。系統(tǒng)軟件模塊功能結(jié)構(gòu)如圖34所示。