《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LabVIEW和TMS320F2812的液壓伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
Icbuy
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摘要:   隨著試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,近年來國內(nèi)外電子液壓萬能試驗(yàn)機(jī)發(fā)展了3種不同控制方式:電液伺服閥控制,、采用具有速度控制器的壓力閥控制和寬流量范圍的比例閥控制,。電液倒服控制技術(shù)作為現(xiàn)代微電予技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁,已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要組成部分,。
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  1 引言

  隨著試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,,近年來國內(nèi)外電子液壓萬能試驗(yàn)機(jī)" title="電子液壓萬能試驗(yàn)機(jī)">電子液壓萬能試驗(yàn)機(jī)發(fā)展了3種不同控制方式:電液伺服閥控制、采用具有速度控制器的壓力閥控制和寬流量范圍的比例閥控制,。電液倒服控制技術(shù)作為現(xiàn)代微電予技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁,已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要組成部分,。采用電液伺服閥控制的電子液壓萬能試驗(yàn)機(jī)除了控制技術(shù)外,,還采用高精度力與位移傳感器的測量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)采集處理等技術(shù),在功能上達(dá)到甚至超過了電子萬能試驗(yàn)機(jī),,尤其是在大負(fù)荷液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上具有更大的優(yōu)勢,。因此,廣泛應(yīng)用于汽車構(gòu)架的靜載,、動載和疲勞等材料的各種性能試驗(yàn)中,。

  本文在電液伺服控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,對基于LabVIEW" title="LabVIEW">LabVIEW和TMS320F2812的液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究,,本系統(tǒng)利用圖形化編程工具LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)人機(jī)界面具有易于操作,,便于維護(hù)等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器DSP" title="DSP">DSP中的TMS320F2812作為核心處理器的實(shí)時(shí)控制器,,該控制器外擴(kuò)了數(shù)據(jù)存儲器和12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,,達(dá)到了系統(tǒng)的精度要求。

  2 液壓伺服控制系統(tǒng)的組成

  本文設(shè)計(jì)的電液伺服系統(tǒng)分為以高速數(shù)字處理器DSP為核心的集信號調(diào)理,、數(shù)據(jù)采集,、控制、轉(zhuǎn)換等于一身的實(shí)時(shí)控制器和利用圖形化編程工具LabVIEW軟件編寫的人機(jī)界面兩大部分,。該系統(tǒng)利用串行通信口將試驗(yàn)機(jī)的操作者通過人機(jī)界而發(fā)出的各種控制命令發(fā)送到實(shí)時(shí)控制器,,實(shí)時(shí)控制器按命令完成一系列操作并將液壓伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)通過串行通信口送到PC機(jī),并在PC機(jī)上的人機(jī)界面上顯示,。

  3 上位機(jī)人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

  3.1 LabVIEW簡介

  上位機(jī)人機(jī)界面軟件采用LabVIEW,,他是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laborator Virtual Instrument Engineering Workbenth)的簡稱,LabVIEW采用G語言為其編程語言,。G語言是一種適合應(yīng)用于任何編程任務(wù),,具有擴(kuò)展函數(shù)庫的通用編程語言。和C語言等語言一樣,,G語言定義了數(shù)據(jù)模型,、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素,在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜色于任何高級語言,。G語言與傳統(tǒng)高級編程語言最大的差別在于編程方式,,一般高級語言采用文本編程,而G語言采用圖形化編程方式,。

  3.2 上位機(jī)人機(jī)界面功能介紹

  3.2.1 通信子模塊

  通信子模塊包括信息的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送兩部分,。信息接收功能是指上位機(jī)通過串口接收由下位機(jī)反饋回來的命令信號、狀態(tài)信號和反饋信號,,供上位機(jī)顯示和保存用,。數(shù)據(jù)發(fā)送功能則是上位機(jī)通過串口以一定的協(xié)議發(fā)送幀信息,,這些信息將包括所有對下位機(jī)的控制命令。

  3.2.2 系統(tǒng)設(shè)置模塊

  系統(tǒng)設(shè)置模塊簡單介紹標(biāo)定與控制參數(shù)設(shè)定這兩部分,。

  標(biāo)定部分主要是根據(jù)載荷傳感器,,位移傳感器等不同傳感器之間性能參數(shù)的不同而進(jìn)行的零點(diǎn)、增益,、量程的標(biāo)定,,從而為不同的控制方式提供參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

  控制參數(shù)設(shè)定包括控制方式的選擇,,試驗(yàn)類型,,限制值等參數(shù)的設(shè)置。

  控制方式分為3種:位移控制,、行程控制和載荷控制,。這3種不同的控制方式所連接的現(xiàn)場設(shè)備都要經(jīng)過由靜態(tài)向動態(tài)的工作過程,所以必須在靜態(tài)時(shí)設(shè)置其靜態(tài)初始值,,同時(shí)規(guī)定其上下限值,,超出這一范圍系統(tǒng)都要強(qiáng)行停機(jī)。實(shí)驗(yàn)類型分為常規(guī),,擬動力,,疲勞,隨機(jī)波等,。

  液壓伺服控制系統(tǒng)的正常工作是在各種不同模擬信號波形的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)的,,這就要求上位機(jī)設(shè)置這些波形的動態(tài)實(shí)驗(yàn)參數(shù),以供下位機(jī)軟件產(chǎn)生這些波形,。以正弦波為例,,正弦波的幅值,頻率以及重復(fù)次數(shù),,位于第幾譜塊等參數(shù)都要通過幀協(xié)議發(fā)送給下位機(jī),。

  上位機(jī)也要將PID控制的P,I,,D參數(shù)發(fā)送給下位機(jī),,由于這些參數(shù)都是浮點(diǎn)型,而DSP2812只能處理定點(diǎn)數(shù)據(jù),,所以上位機(jī)需要在發(fā)送數(shù)據(jù)前將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù),,以便下位機(jī)識別。

  3.2.3 狀態(tài)顯示模塊

  示波器部分主要顯示通道命令,、通道載荷和通道位移等曲線,。

  數(shù)據(jù)生成與保存是將試驗(yàn)的一些參數(shù)包括通道分配、控制方式,、系統(tǒng)標(biāo)定的數(shù)據(jù),、載荷譜等數(shù)據(jù)保存在不同的文件中,。

  4 實(shí)時(shí)控制器的設(shè)計(jì)

  4.1 實(shí)時(shí)控制器硬件設(shè)計(jì)

  該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,主要包括模擬信號輸入接口電路,、信號調(diào)理電路,、時(shí)鐘與復(fù)位電路、電源轉(zhuǎn)換電路,、外部存儲器擴(kuò)展電路,、數(shù)據(jù)通信接口電路,、功率放大等部分,。

  本文采用DSP2812自帶外設(shè)ADC完成對信號的采集,同時(shí)外擴(kuò)了一片64 kB RAM芯片ISLV6416存儲臨時(shí)數(shù)據(jù),,一片DAC7625芯片用以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號向模擬信號的轉(zhuǎn)換,,轉(zhuǎn)換的模擬信號經(jīng)功率放大后輸出?! ?/p>

  4.1.1 外部數(shù)據(jù)存儲器

  外部數(shù)據(jù)存儲器采用ISSI公司的ISLV6416芯片,,ISLV6416是一片64 k×16 b的高速靜態(tài)RAM,采用3.3 V電源供電,,3.3 V電壓信號由電源轉(zhuǎn)換芯片TPS767D381PWP轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn),,他可將+5 V電壓轉(zhuǎn)換成+3.3 V和+1.8 V,這兩個(gè)電壓同時(shí)可供DSP工作,。ISLV6416的控制信號OE(讀數(shù)據(jù)),,WE(寫數(shù)據(jù))直接與DSP的XWE和XRD兩引腳相連,數(shù)據(jù)和地址線也直接與DSP相連,。CE(片選)信號由地址線A16和外部空間選擇信號XZCS2相“或”產(chǎn)生,,因此RAM的地址為0x00080000~0x0008FFFF。

  4.1.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

  由于伺服閥的輸入量是模擬信號,,而控制器處理后的輸出數(shù)據(jù)是數(shù)字量,,因此,需要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出到伺服閥上,。

  在設(shè)計(jì)過程中,,選擇了12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片DAC7625,他是BURR-BROWN公司生產(chǎn)的一種低功耗12位并口輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,,他的setting time 只有10 μs,,支持單極和雙極輸出。12位數(shù)據(jù)可由TMS320F2812一次送出,。根據(jù)電源供電方式的不同,,4通道模擬輸出量電壓的范圍將由兩參考電壓端參考電壓決定。如單電源+5 v供電,,參考電壓端VREFH輸入+2.5 V,,VREFL接地,,則模擬輸出量電壓范圍為0~2.5 V。若采用雙電源±5 v供電,,參考電壓端VREFH輸入+2.5 V,,VREFL輸入-2.5 V,則模擬輸出量電壓范圍為-2.5~+2.5 V,。參考電壓可由芯片MAX1403產(chǎn)生,。DAC7625選擇哪路模擬量輸出由兩個(gè)片選信號A0,A1決定,。讀寫信號RW與DSP的XR/W腳相連,,片選DAC_CS由地址線A16反相后與外部空間選擇信號XZCS2相“或”產(chǎn)生,所以DAC7625的地址范圍為:0x00090000~0x0009FFFF,。

  4.1.3 串口通信

  整個(gè)DSP作為下位機(jī)的核心CPU,,是通過串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信的,TMS320F2812有兩個(gè)片內(nèi)外設(shè)SCIA/SCIB實(shí)現(xiàn)串口通信功能,。硬件電路采用符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片MAX232進(jìn)行串口通信,。MAX232芯片功耗低,集成度高,,+5 V供電,,具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道。

  4.2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

  初始化程序包括各種參數(shù)和變量的初始化,,啟動定時(shí)器,,由于此液壓伺服系統(tǒng)的控制信號為50 Hz以下,所以將定時(shí)時(shí)間確定為1 ms,,完全滿足系統(tǒng)要求,。1 ms定時(shí)后,檢測定時(shí)中斷標(biāo)志位是否置1,,置位信號由中斷服務(wù)子程序完成,,若已經(jīng)被置1則啟動A/D轉(zhuǎn)換采集,A/D轉(zhuǎn)換主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集,、轉(zhuǎn)換,、工程變換等工作,并根據(jù)相應(yīng)的控制模式,,將相應(yīng)傳感器的信號作為控制器的反饋信號,,若未置位則返回等待。調(diào)用Command函數(shù),,在Command函數(shù)中,,程序根據(jù)相應(yīng)的控制狀態(tài)和控制參數(shù)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的命令信號,該命令信號由兩部分組成,,一部分為靜態(tài)命令,,另一部分為動態(tài)命令,,實(shí)際控制信號為兩部分之和,該信號為前饋PID控制的輸入信號,。前饋PID控制函數(shù)則根據(jù)命令信號,、反饋信號和相關(guān)參數(shù)(如PID參數(shù))計(jì)算輸出控制指令。D/A轉(zhuǎn)換函數(shù)主要是通過D/A板將計(jì)算機(jī)的控制指制信號為兩部分之和,,該信號為前饋PID控制的輸入信號,。前饋PID控制函數(shù)則根據(jù)命令信號、反饋信號和相關(guān)參數(shù)(如PID參數(shù))計(jì)算輸出控制指令,。D/A轉(zhuǎn)換函數(shù)主要是通過D/A板將汁算機(jī)的控制指令轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的模擬量(該模擬信號通過伺服放大板進(jìn)行放大后驅(qū)動伺服驅(qū)動部分),,串口發(fā)送程序子函數(shù)將控制器當(dāng)前時(shí)刻的所有信號(包括命令信號、狀態(tài)信號和反饋信號)的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),,供上位機(jī)顯示和保存用,。之后將標(biāo)志位清零并判斷串口接收標(biāo)志位是否為1,,是則對已經(jīng)接收到的完整數(shù)據(jù)包處理,,否則返回上一步。

  5 結(jié)語

  本文上位機(jī)采用高級圖形化編程工具LabVIEW編寫人機(jī)交互界面,,美觀,、易于操作,下位機(jī)采用TI公司的TMS320F2812為系統(tǒng)核心CPU,,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的速度,、精度及穩(wěn)定性,外擴(kuò)存儲器增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力,,并行12b DAC既滿足了控制精度的要求,,也提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性。下位機(jī)軟件在定時(shí)周期1 ms內(nèi)完成A/D的轉(zhuǎn)換,,Command命令計(jì)算,,前饋PID控制算法,D/A輸出,,串口通信等功能,。整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,在實(shí)驗(yàn)中效果很好,。

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