一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統技術方案

一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統，硬件采用主控板(PCI板卡)+調理板的系統結構框架。該多缸液壓機伺服控制系統各項性能指標均能達到設計要求，具有良好的伺服控制性能。另外，在該系統通過利用Verilog?HDL語言，在FPGA內實現了如位置采樣、速度計算等功能，節省了大量的CPU資源，提高了控制周期，這也是多缸液壓伺服控制系統設計的一個研究熱點。

A multi cylinder hydraulic servo control system based on PCI

A multi cylinder hydraulic servo control system based on PCI. The hardware adopts the system frame of master board (PCI card) + conditioning board. The performance of the servo control system of the multi cylinder hydraulic press can meet the design requirements and has good servo control performance. In addition, in the system by using Verilog HDL language in FPGA, such as the realization of the sampling position and speed calculation function, save a lot of CPU resources, improve the control cycle, which is a multi cylinder hydraulic servo control system design of a hotspot.

【技術實現步驟摘要】
一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統所屬
本專利技術涉及一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統，適用于機械領域。
技術介紹
近些年國內國裝備制造業高速發展，液壓機作為裝備制造業的必備設備，對其噸位和性能的要求越來越高，特別是開發大噸位、高精度、高性能液壓機的需求尤為迫切。單缸已經不能滿足高性能液壓機對于噸位和精度的要求，多缸已經成為必然的選擇。但多缸控制必然會存在耦合和非線性問題，傳統的PLC控制器很難解決這些，因此研制可控制多缸的液壓專用控制器對提高材料加工水平有著重大而深遠的現實意義。
技術實現思路
本專利技術提出了一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統，該多缸液壓機伺服控制系統各項性能指標均能達到設計要求，具有良好的伺服控制性能。另外，在該系統通過利用VerilogHDL語言，在FPGA內實現了如位置采樣、速度計算等功能，節省了大量的CPU資源，提高了控制周期，這也是多缸液壓伺服控制系統設計的一個研究熱點。本專利技術所采用的技術方案是：所述多缸液壓機主要包括上位機、液壓缸組、滑塊、機架、油泵組、油箱、檢測裝置和控制系統。當液壓機工作時，油泵將高壓液壓油從油箱抽取進油路；液壓油經過比例伺服閥進入液壓缸組，驅動滑塊運行。滑塊的速度和調平控制是通過不斷的調節油路中比例伺服閥的開度，從而改變液壓缸的液壓油的流量來實現的。所述控制算法采用雙閉環同步PID控制。對于每個缸設計獨立的雙閉環控制算法，外環PID控制器的入是滑塊速度與整定后的給定速度的差值，通過PID控制律計算出給定壓差，作為內環的給定輸入；內環PID控制器的輸入是給定壓力與實際壓力的差值，通過PID控制律計算出閥的開度，作為被控對象的控制輸入。所述控制系統的硬件采用主控板(PCI板卡)+調理板的系統結構框架。采用這種構架的原因在于主控制器及其他核心芯片屬于高速數字系統，其對于電磁兼容性的要求較高并且抗外部干擾能力較弱，所以將其設計為PCI板卡形式，這樣就以工控機作為載體，利用工控機外殼作為第一層電磁屏蔽，這樣可將外部電磁干擾對主控器的影響減到最小，提高了系統的穩定性，而且PCI總線屬于高速并線總線，其傳輸速率是通常的以太網或其他工業總線幾倍，這樣使伺服控制器和上位機之間的鏈接更緊密，通信速率更快，實現了上位機與控制器的一體化。更重要的是這種模式增強了系統的適應性，用戶只需要修改調理板電路就可滿足不同的功能，使產品的升級更加方便，并且可以通過擴充PCI板卡來擴充系統的功能。所述控制系統的主控板采用DSP+FPGA+PCI9054的系統結構框架，中心控制單元采用TMS320F2812芯片，主要用來發送指令、接收數據以及完成一些復雜的算法控制并通過其16位并行總線與FPGA相連，此芯片為專為工業控制設計的芯片，帶有多種外部接口，其內部時鐘高達150MHz，計算速度快，可減小控制程序的運行時間，以提高控制效果；FPGA為數據中轉核心，主要完成8路SSI信號的采集和時序控制，M法和T法測速、實現了2個SPI總線用于主板與調理板的數據交互，并在其內實現雙口RAM為核心的數據中轉與控制，完成了各部分數據的整合；PCI訊接口所采用的通信芯片為PCI9054，主要完成伺服控制卡和上位機之間的通訊，將PCI總線數據轉換為32位的局部總線數據。所述外部調理板主要包含D/A模塊、A/D模塊、IO隔離放大模塊和SSI轉換模塊。D/A模塊主要采用AD5628芯片，AD5628為串行8路12位D/A芯片，主要用來將主控芯片的數字量輸出變為模擬量輸出，然后經過驅動放大電路將輸出信號進行放大，進而控制液壓閥的開度。A/D模塊主要采用AD7928芯片，AD7928為串行8路12位A/D芯片，主要用來采樣壓力傳感器的輸出電壓，并將其轉換為主控芯片可識別的數字信號。D/A模塊和A/D模塊都是通過SPI總線與FPGA通訊，并且在FPGA與他們之間采用光耦隔離芯片TLPI17A進行隔離。IO隔離模塊采用ADuMl400ARw芯片，主要用來隔離和將主板的3.3V邏輯電平轉換為5V的邏輯電平。SSI轉換模塊采用MAX3490芯片，用來將主板的3.3VTTL電平轉換為光柵尺所需的差分信號。所述控制系統的FPGA內部邏輯功能使用VcrilogHDL語言對其編程在FPGA內部實現了多種邏輯功能，包括SSI采集模塊、T法和M法測速模塊、SPI總線模塊和數據中轉模塊。FPGA內包含大量的邏輯單元，在上電后FPGA自動根據所下載程序來配置這些邏輯單元，就相當于將電路放到了芯片內，具有很高的實時性和快速性，所以該設計中將一些初級程序，如T法和M法測速等功能在FPGA上實現。這樣不但提高了采樣頻率，而且節省了主控程序所需的資源，減小了一個控制周期所需的時間，使其能滿足更高的控制需求。所述SSI采用主機主動讀方式，即主控器對從設備發出一個時鐘脈沖，從設備輸出一位數據，數據從最高有效位(MSB)開始傳輸。根據輸入SSI信號的時序要求，將SSI采集模塊分為時鐘產生模塊、數據接收模塊和數據轉換模塊。此模塊可根據所選液壓機所帶光柵尺格式的不同(二迸制和格雷碼)主動向外設輸出時鐘信號，并將光柵尺傳人的串行位置數據轉換為32位并行數據。為該設計采用的是連續采樣，采樣周期為r，r為一可設定值(從1M到10K)。利用FPGA的特性，在其內實現8路并行SSI采樣，并采用同一系統時鐘，這樣就確保了位置采樣的實時性和同步。測速模塊則是根據SSI通信模塊轉換后的并行數據和采樣時鐘，分別按T法和M法進行速度計算，以實現速度快速計算，減少后續控制算法所需資源。由于該設計采用的是連續采樣，并且采樣頻率較高，所以可以用采樣周期T為系統計時的單位時間。本專利技術的有益效果是：該多缸液壓機伺服控制系統各項性能指標均能達到設計要求，具有良好的伺服控制性能。另外，在該系統通過利用VerilogHDL語言，在FPGA內實現了如位置采樣、速度計算等功能，節省了大量的CPU資源，提高了控制周期，這也是多缸液壓伺服控制系統設計的一個研究熱點。附圖說明圖1是本專利技術的多缸液壓機控制系統原理圖。圖2是本專利技術的閉環同步控制方框圖。圖3是本專利技術的控制系統硬件結構圖。圖4是本專利技術的FPGA內部邏輯功能圖。圖5是本專利技術的一路高速SSl通信接口模塊示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明。如圖1，多缸液壓機主要包括上位機、液壓缸組、滑塊、機架、油泵組、油箱、檢測裝置和控制系統。當液壓機工作時，油泵將高壓液壓油從油箱抽取進油路；液壓油經過比例伺服閥進入液壓缸組，驅動滑塊運行。滑塊的速度和調平控制是通過不斷的調節油路中比例伺服閥的開度，從而改變液壓缸的液壓油的流量來實現的。控制多缸液壓機的關鍵是多缸液壓伺服控制系統。首先，分別通過FPGA和A/D芯片將光柵尺輸出的滑塊的位置信息(SSI格式)和壓力傳感器采集的液壓缸內的壓力信息(電壓信號)轉換為主控芯片能識別的并行二進制信息。然后主控芯片根據這些信息與控制算法計算出比例伺服閥應有的開度，然后經過D/A芯片和驅動放大電路，輸出給比例伺服閥，從而達到控制目標。如圖2，控制算法采用雙閉環同步PID控制。對于每個缸設計獨立的雙閉環控制算法，外環PID控制器的入是滑塊速度與整定后的給定速度的差值，通過PID控制律計算出給定壓差本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統，其特征是：所述多缸液壓機主要包括上位機、液壓缸組、滑塊、機架、油泵組、油箱、檢測裝置和控制系統。

【技術特征摘要】
1.一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統，其特征是：所述多缸液壓機主要包括上位機、液壓缸組、滑塊、機架、油泵組、油箱、檢測裝置和控制系統。2.根據權利要求1所述的一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統，其特征是：所述控制算法采用雙閉環同步PID控制，對于每個缸設計獨立的雙閉環控制算法，外環PID控制器的入是滑塊速度與整定后的給定速度的差值，通過PID控制律計算出給定壓差，作為內環的給定輸入；內環PID控制器的輸入是給定壓力與實際壓力的差值，通過PID控制律計算出閥的開度，作為被控對象的控制輸入。3.根據權利要求1所述的一種基于PCI的多缸液壓伺服控制系統，其特征是：所述控制系統的主控板采用DSP+FPGA+PCI9054的系統結構框架，中心控制單元采用TMS320F2812芯片，主要用來發送指令、接收數據以及完成一些復雜的算法控制并通過其16位并行總線與FPGA相連，此芯片為專...

【專利技術屬性】
技術研發人員：申久祝，
申請(專利權)人：申久祝，
類型：發明
國別省市：遼寧,21