電液伺服系統嵌入式數字控制器

1．數字式電液伺服裝置

數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、液壓系統等部分組成。數字式電液伺服裝置的液壓系統如圖32所示。

雙聯泵3由電動機1驅動，液壓泵壓出的油液經精過濾器8到電液伺服閥9。系統的壓力由溢流閥6.1調定。當系統的壓力達到卸荷閥5的控制壓力(大約低于溢流閥6.1的調定壓力0.3MPa)時，卸荷閥5接通油路，雙聯泵3的第一級泵壓出的油流回油箱。如果系統的壓力下降至比溢流閥6.1的調定壓力大約低0.5MPa時，卸荷閥5關閉，雙聯泵的第一級又自動恢復向系統供油。電液伺服閥9根據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，當系統壓力意外失落時，單向閥10關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，防止系統產生誤動作。

在電動機1關閉時，該系統能用手動泵17人工泵油以驅動工作缸動作，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致液壓控制系統參數和結構的變化，而傳統的模擬液壓伺服裝置調整范圍有限，無法實現復雜的現場整定，因此其控制器只能是一種根據不同對象而專門設計、任務專一、缺乏柔性硬件，因此使用不便。維護困難這種狀況嚴重阻礙了液壓伺服系統的普及應用。

嵌入式數字控制器組成框圖如圖33所示。

嵌入式數字控制器的功能和特點有：

(1)數字式、一體化采用嵌入式計算機和嵌入式操作系統VxWorks，實現了伺服控制器的數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)柔性設置可實現面向用戶的分段程序設定、數字PID設定、工作模式設定、傳感器設定、斜坡時間設定等功能。

(4)控制算法具有數字PID、神經網絡PID算法、模型跟蹤算法、滯環補償算法和數字濾波算法。

(5)遠程數據通信具有工業以太網和PROFIBUS通口，可實現車間級和廠級的網絡控制。

(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，診斷結果可通過工業網絡實現遠程傳送。

3．硬件配置

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

美國國民半導體公司的低功耗整合型處理器GeodeGX1。GeodeGX1運行時不用散熱風扇，提高了系統的穩定性和可靠性。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總線的數據采集模塊HT 7484。

(1)嵌入式數字控制器數據采集模塊指標。

1) A/D性能。單端16路A/D，轉換時間為10s，12位A/D分辨率，轉換芯片是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轉換分辨率：12位，轉換芯片是DAC7625； D/A轉換時間≤1s電流輸出方式負載能力為4～20mA/每路。

3) DI/DO性能。16路TTI電平開關量輸入/輸出，范圍是0～5v。

(2)通信接口。嵌入式數字控制器通信接口是利用西門子的ASPC3實現了PROFI-BUS DP現場總線接口，Realtek的網絡芯片RTI8139實現工業以太網接口。RTI8139芯片遵循IEEE 802.3標準協議，它集成了介質訪問控制子層(MAC)和物理層的功能，可以方便地和MCU系統進行接口。

4．軟件操作系統

嵌入式控制器的操作系統選用VxWorks。其主要組成部分為：實時操作系統內核、I/O系統、文件系統、板級支持包、網絡設施、目標代理和實用庫。

VxWorks嵌入式操作系統是一個高性能、可裁減的實時操作系統。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，支持應用程序的動態鏈接和動態下載，適應于惡劣的運行環境等特點。VxWorks的微內核Wind是一個具有較高性能的、標準的嵌入式實時操作系統內核，其主要特點包括：快速多任務切換、搶占式任務調度、任務間通信手段多樣化等。該內核具有任務間切換時間短、中斷延遲小、網絡流量大等特點，與其他嵌入式實時操作系統相比具有一定的優勢。VxWorks對其他網絡和TCP/IP網絡系統的“透明”訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過程調用(RPC)、SNMP、遠程文件訪問以及B(X) TP和ARP代理。

5．嵌入式數字控制器的軟件模塊及功能

軟件設計采用自頂向下的層次結構法和自底向上的程序編制法。層次結構的關系是一種樹狀結構的從屬關系，即上層模塊只能控制下層模缺的執行權。它包括主程序塊、控制程序塊、監測程序塊、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“微壓差控制及工藝矩陣設置”、“程序控制及目標曲線設定”、“PID參數設置”、“控制算法選擇”、“傳感器選擇設置”、“斜坡設定”、“伺服閥特性自診斷”、“位置跟蹤特性自診斷”、“通道測試”等功能。系統軟件模塊功能結構如圖34所示。