（机械电子工程专业论文）基于arm微处理器的电液位置伺服控制系统的研究.pdf

太原理工大学颈士磷究生学位论文 基于a r m 微处理器的电液位置伺服控制系统的研究 摘要 电液位置伺服系统具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号 处理灵活、易于实现各种参量反馈等优点，因此它已经遍及国民经济和军 事工业的各个技术领域。近年来，对电液位置伺服系统的快速性、稳定性、 准确性等控制性能提出了新的要求，作为电液位置伺服系统核心的控制器， 起到更为关键的作用。 现阶段，嵌入式微处理器以其小型、专用、便携、高可靠的特点，已 经在工业控制领域得到了广泛的应用，如工业过程、远程监控、智能仪器 仪表、机器人控制、数控系统等，嵌入式微处理器嵌入实时操作系统，可 以克服传统的基于单片机控制系统功能不足和基于p c 的控制系统非实时 性的缺点，其性能、可靠性等都能满足电液位置伺服系统控制的要求，在 控制领域具有广泛的应用前景。 本文以实验室的电液位置伺服系统为研究对象，按照系统的控制要求， 提出以a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 微处理器为核心的控制器对电液位置伺服系统进 行控制的一种方案，设计了一种新型的基于a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 微处理器的电 液位置伺服控制器。本系统控制器的开发设计中，在以a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 微 处理器为核心的控制器基础上，通过外部扩展，使得系统控制器具有丰富 的硬件资源，开发了a d 转换电路、d a ( 删) 转换电路、伺服放大电 路、串行接口等电路，同时为了使得控制器的程序代码具有较强的可读性、 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 可维护性、可扩展性，使用了操作系统，通过比较选择了u c o s n 实时内 核，并成功移植到a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 微处理器中，并编写了a d 、数字滤波、 d a ( p w m ) 等软件程序，通过编译、调试、验证，程序运行正常。在对 电液位置伺服系统进行控制策略的选择中，分别采用p i d 、滑模变结构、 模糊自学习滑模三种控制策略进行仿真比较，得出采用模糊自学习滑模控 制策略更有利于系统控制。 关键词：电液位置伺服系统，a r m 9 ，模糊自学习滑模控制，实时操作 系统，脉宽调制 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e se a r c h0 ne l e c t r o h y d r a u l i cp o sn 1 1 0 n s e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do na i 之m m i cr o p r o c e sso r a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e mh a s al o to ft r a i t ，s u c ha sh i g h c o n t r o la c c u r a c y , q u i c kr e s p o n s es p e e d ，b i go u t p u tp o w e r , f l e x i b l es i g n a lp r o c e s s a n de a s yr e a l i z a t i o nf e e d b a c ko fv a r i o u sq u a n t i t ye t c ，t h e r e f o r ei th a sa l r e a d y s p r e a do v e re a c ht e c h n i q u er e a l mo fn a t i o n a le c o n o m ya n dm i l i t a r yi n d u s t r y i n r e c e n ty e a r s ，s o m en e wr e q u e s t si nt h ee l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m c o n t r o la s p e c ta r eb r o u g h tf o r w a r d ，s u c ha ss p e e d i n e s s ，s t a b i l i t y , a c c u r a c y i n o r d e rt or e a l i z et h o s ep o i n t s ，t h ec o n t r o l l e ri s r e g a r d e d a st h ec o r eo f e l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m ，c o n t r o lf u n c t i o ni sm o r ek e y c u r r e n t l y , e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s w i t h m i n i a t u r i z a t i o n ，s p e c i a l u s e ，c o n v e n i e n th o l da n dh i g hd e p e n d a b l ec h a r a c t e r i s t i c sh a v ea l r e a d yg o u e n e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n i nt h e i n d u s t r y c o n t r o l l e d r e a l m ，s u c h a si n d u s t r i a l p r o c e s s ，l o n g d i s t a n c e s u p e r v i s i o n ，i n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n t ，r o b o tc o n t r o l a n d n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e me t c r e a lt i m eo p e r a t es y s t e mi se m b e d d e di nt h e e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s ，i tc a l lo v e r c o m ef u n c t i o ns h o r t a g eb a s e do nm c u c o n t r o ls y s t e ma n dt h ew e a k n e s so fn o n r e a lt i m eb a s e do np cc o n t r o ls y s t e m i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i t s c a p a b i l i t y , d e p e n d a b i l i t yc a l ls a t i s f yc o n t r o lr e q u e s to fe l e c t r o h y d r a u l i c p o s i t i o ns e r v os y s t e m ，i tw i l lh a v ee x t e n s i v ea p p l i e df o r e g r o u n di nt h ec o n t r o l r e a l m e l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e mi nt h el a b o r a t o r yi sr e g a r d e da s r e s e a r c ho b j e c t ，a c c o r d i n gt oc o n t r o lr e q u e s to fs y s t e m ，ac o n t r o ls c h e m ei s b r o u g h tf o r w a r di nt h et h e s i s t h a ti st os a y ，e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v o s y s t e m i sc o n t r o l l e d b y t h ec o r eo fe m b e d d e d s y s t e m a n dan e w e l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e mc o n t r o l l e rc o r ei sd e s i g n e db a s e do n a r m 9 m i c r o p r o c e s s o r s i nt h ed e v e l o p m e n td e s i g no fs y s t e mc o n t r o l l e r , o nt h e b a s i so fa r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) m i c r o p r o c e s s o r , s y s t e mc o n t r o l l e rh a sa b u n d a n t h a r d w a r er e s o u r c e s t h r o u g he x t e r i o re x p a n d a b i l i t y , s u c ha sa d cc i r c u i t ，d a c ( p w m ) c i r c u i t ，s e r v oe n l a r g e dc i r c u i t ，s e r i a li n t e r f a c ec i r c u i t ，a tt h es a m e t i m e ，o p e r a t es y s t e mi s c h o s e ni no r d e rt om a k ep r o c e d u r ec o d e s t r o n g e r r e a d a b i l i t y , m a i n t e n a n c e a n d e x p a n d a b i l i t y , u c o s i i i sc h o s e n t h r o u g h c o m p a r i s o na n di st r a n s p l a n t e da r m 9 ( s 3 c 2 4 10 ) m i c r o p r o c e s s o rs u c c e s s f u l l y , t h e na dc o l l e c t i o ni nf - e dt i m e ，t h en u m e r a lf i l t e rw a v e ，d a ( p w m ) p r o g r a m e t ca r ew r i t t e n ，t h o s ep r o c e d u r ep a s s e d i t ，d e b u g g i n g ，v e r i f i c a t i o n a n dr u n n o r m a l l y i nt h ec h o i c ep r o c e s so fc o n t r o lm e a n s ，p i d ，s l i d i n gm o d ea n df u z z y s e l f - l e a r n i n gs l i d i n gm o d ea r ec o m p a r e dt h r o u g ht h ea n a l y s i sr e s u l to ft h r e e k i n d so fc o n t r o lm e a n s ，f u z z ys e l f - l e a r n i n g s l i d i n g m o d ei s d i s p l a y e dt o a d v a n t a g ei nc o n t r o ls y s t e m 。 i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m ，a r m 9 ，f u z z y s e l f - l e a r n i n gs l i d i n gm o d ec o n t r o l ，r e a lt i m eo p e r a t es y s t e m ，p w m v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作亨签名：j 刻牟立卜日期： 枷gj 6 g - 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；。学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 导师签名： 日期：兰型芝161 笪 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题的选题背景 第一章绪论弟一早三百v 匕 电液伺服系统是电气技术和液压技术相结合的产物，结合了电气和液压两方面的特 长，在该控制系统中，它是以液压动力元件作驱动装置所组成的反馈控制系统，而且控 制系统的输出量能够自动、快速而准确地复现输入量的变化规律，还可以起到信号的功 率放大作用，所以电液伺服系统也可以称为功率放大装置，并且它在负载质量大又要求 响应速度快的场合使用广泛，其应用已经遍及各个技术领埘1 1 。近年来，在电液伺服系 统的某些应用场合中，对电液伺服系统的快速性、稳定性、准确性等控制性能提出了新 的要求，为了满足更高的要求，对电液伺服系统中所包含的电气技术和液压技术都提出 了新的要求。 近几年，随着计算机技术、微电子技术、数字技术的飞速发展，微处理器的应用越 来越广泛，其中以a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器最为突出f 2 】。现阶段，基于 a r m 的应用越来越广泛，如应用于工业自动化控制、汽车、军事、信息家电、移动通 信、手持信息设备等领域，同时它也正逐步向着传统的工业生产服务，随着计算机软件 技术、自动控制的发展，必将更多地渗入到各行各业，服务于我们整个社会。 基于电液伺服系统的发展新要求和a r m 微处理器的广泛应用，本课题提出了基于 a r m 微处理器对电液伺服系统进行控制，并对电液伺服系统中的核心控制器进行研究。 1 2 电液伺服控制系统的发展现状及方向 电液伺服控制技术是最近几十年发展起来的新兴的科技技术，它不仅是液压技术的 一个重要分支，而且也是控制领域中的一个重要的组成部分【3 1 。从控制角度来讲，电液 伺服系统是电和液的控制技术，所以从电液控制技术的发展就可以了解到电液伺服控制 系统的发展。早在公元前2 4 0 年，古埃及人发明了一种液压伺服机构水钟，而电液控 制技术的发展主要集中在最近2 个世纪的发展，特别是最近几十年，呈现三个重要的发 展阶段1 1 【4 1 ： 第一阶段：在1 8 世纪欧洲工业革命期间，多种液压机械装置特别是液压阀得到开 太原理工大学硕士研究生学位论文 发和利用，如出现了泵，水压机及水压缸等。由于当时工业革命得到了巨大成功，推动 了欧洲各国的工业，因此，在当时有巨大贡献之一的液压技术影响力较以前有大增加。 1 9 世纪初液压技术取得了一些重大的进展，为今后电液伺服的发展提供了良好的基础。 如采用油作为工作流体及首次用电来驱动方向控制阀等。两次二次世界大战期间，电液 技术的发展加快，出现了两级电液伺服阀，喷嘴挡板元件以及反馈装置等。 第二阶段：2 0 世纪5 0 、6 0 年代是电液控制技术发展的关键时期。应用的领域主要 体现在聪个大的方面。即军事领域和非军事领域。 军事领域：两次世界大战的发生，特别是第二次世界大战，使得电液控制技术得到 快速发震。第二次世界大战结束后，由于电液伺服控制系统具有体积小、重量轻、响应 速度快、控制精度高等优点，电液控制技术的发展得到了延续。具体的应用例子如导弹 的飞行控制，雷达天线的定位，雷达磁控管腔的动态调节，导弹发射架控制等，同时， 在航空航天上的应用上，电液控制技术的应用也很广泛。如飞机飞行控制系统的增强稳 定性，飞行器的推力矢量控制，空间运载火箭的导航和控制等。 非军事领域：主要的应用领域是机床工业，工程机械，工业机器人控制，矿藏探测， 燃气或蒸汽涡轮控制及可移动设备的自动化等。如数控机床的工作台定位伺服装置中采 用电液控制系统替代人工操作。 第三阶段：最近十几年，电液控制技术也得到了大的发展，然而在传统电液控制系 统中，采用了封闭式结构，对用户来讲，控制系统内部是一令黑籍，不幂j 予对系统功能 进行扩展和改进，系统资源共享和利用也难于进行，控制软件的兼容性不好，软件的结 构依赖于处理器硬件，不利于软件的升级和更新，传统电液控制系统已不能完全满足现 代工业发展要求。针对传统电液控制系统的这些缺陷，研究和开发具有开放式的高性能 控制器是当前电液控制领域的一个重要发展方向。现阶段，随着计算机技术、微电子技 术、数字技术的发展，集成电路以及微处理器的出现，基于集成电路的电子器件广泛应 用于电液控制技术领域，同时电液控制技术已经开始向数字化发展，液压技术同电子技 术、控制技术的结合日益紧密，这样更加利于了电液伺服控制系统的发展。 在电液伺服控制系统的发展历程中，控制策略也起到了至关重要的作用。在上世纪 5 0 年代初美国麻省理工学院开始研究经典控制理论，并将经典控制理论应用于液压儡 服系统中，在随屠几十年的发展中，随着电液伺服控制系统要求的不断提高，控制理论 在电液伺服控制的发展中也得到了提升，控制策略已经发展到p i d 控制、菲线性系统翻 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 【6 j 、模糊控制阴、智能控制系统引。 根据嵌入式系统设计原理构建以a r m 微处理器为核心的控制器是一种典型的嵌入 式应用系统，无论是在测量控制的速度、精度、自动化程度，还是在性价比等方面，都 是传统电液控制器无法比拟的。电液控制器以a r m 为控制芯片，外围电路采用数字化 电路芯片，这样使得控制系统可充分发挥a r _ m 的优点，外围的数字化电路提高了系统 的可靠性，降低系统的成本，同时通过编写软件实现智能控制理论等控制策略的应用， 是电液伺服控制系统的重要发展方向之一。 1 3 电液伺服系统的组成及原理 电液伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知函数，而输出量能够准确、 快速地复现输入量地变化规律。电液伺服系统一般由输入元件、反馈测量元件、比较元 件、放大转换元件、执行元件和执行对象六个部分组成【1 1 。其电液伺服系统结构如图1 1 所示。 比较元件 图l l 电液伺服系统图 f i g l 一1e l e c t r o - h y d r a u l i cs e l v os y s t e md i a g r a m 1 ：指令元件：也称为输入元件，它给出输入信号( 指令信号) 加于系统的输入端。 该输入元件可以是机械、电气的、气动的等等。如指令电位器或计算机信号。 2 ：反馈测量元件：测量系统的输出量并转换为反馈信号。这类元件的形式有很多 种类，常以各种传感器作为反馈测量元件。 3 ：比较元件：将反馈信号与输入信号进行比较，产生偏差信号。另外，反馈信号 与输入信号相比较的装置可称为综合机构。在一般情况下，要求输入信号和反馈信号应 具有相同量纲，利于进行比较。 4 ：放大转换元件：将偏差信号放大，转换成液压信号( 流量或压力) ，输入到执行 元件中。如伺服放大器、机液伺服阀、电液伺服阀等。 5 ：执行元件：产生调节动作加于控制对象上，实现调节任务。如液压缸和液压马 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 达等。 6 ：执行对象：被控制的机器设备或物体即负载。 在电液伺服系统中，偏差信号的检测、校正和初始放大等均采用电气、电子元件来 实现，而执行元件、执行对象采用液压元件来实现。随着电气技术和液压技术的发展， 电气元件的使用具有很大的灵活性，对信号的测量、校正、放大都比较方便，而液压动 力元件的使用具有响应速度快、抗负载刚性大等优点。电液伺服系统结合了电气技术和 液压技术甄者的特长，这样，使得电液伺服系统具有很大的灵活性和广泛的适应性。现 阶段，电液伺服系统与工业控制计算机( 工控机) 、单片机相结合，在某些场合中发挥了 一定的作用，由于a r m 微处理器的显著特点，本课题采用a r m 微处理器与电液伺服 系统相结合，充分运用a r m 微处理器的特点，可以使得电液伺服控制系统具有更广泛 的适用性。本课题所研究的液压伺服系统为实验室中的电液位置伺服系统，其原理控制 系统如图l 一2 所示。 图1 心控制系统基枞图 f i g1 - 2t h eb a s i cb l o c kd i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e m 1 4 本课题研究的优越性 目前电液伺服控制系统一般都是采用工业控制计算机工控机) 或单片机来对电液 伺服系统进行控制，对不同类型的电液伺服控制系统傲相关位置、速度、力的控制。采 用工业控制计算机( 工控机) 的电液伺服控制系统，虽然在大多数的场合下都能够稳定地 工作，但由于工业控制计算机价格贵，并且有时要根据不同的电液伺服系统的需要，使 用各种接口卡，这样一来，使得工业控制计算机( 工控机) 的电液伺服控制系统的造价相 对来说比较高；而采用单片机的电液伺服系统，由于单片枫自身的一些特点，对数据的 处理速度，能力相比微处理器要低，所以单片机一般应用在慢速和数据量小的系统中。 现阶段，嵌入式微处理器以其小型、专用、便携、高可靠的特点，已经在工业控制 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 领域得到了广泛的应用，如工业过程嘲、远程监控u o l 、智能仪器仪表】、机器人控制2 1 、 数控系统【l 习等领域，与传统的基于微控制器的控制系统和基于p c 机的控制系统相比， 嵌入式微处理器具有以下突出优点： 1 ：性能方面采用3 2 1 6 4 位微处理器，处理能力大大超出单片机系统，接近p c 机 的水平，但体积更小，以嵌入式微处理器为核心的控制器的整个系统体积只是p c 机的 几十分之一，能够真正地“嵌入到系统设备中。 2 ：实时性方面基于p c 的控制系统通常基于d o s w i n d o w s 操作系统，由于 d o s w i n d o w s 操作系统是非实时操作系统，通常需要由底层的硬件平台来保证系统的 实时性，而以嵌入式微处理器为核心的控制器内嵌实时操作系统( r t o s ) ，能够完全保 证控制系统的强实时性。 3 ：系统升级方面以嵌入式微处理器为核心的控制器可为控制系统专门设计，其 功能更专，成本更低，而且开放的用户程序接口保证了系统能够快速升级和更新。 基于微处理器为核心的控制器嵌入实时操作系统，具有实时性、低成本、小型化、 专用化和高可靠性，克服了传统的基于单片机控制系统功能不足和基于p c 的控制系统 非实时性的缺点，必将在控制领域具有广泛的应用前景n 4 1 ( 1 5 1 。 1 5 课题的主要内容 本课题以实验室中的电液位置伺服系统为研究对象，采用以a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 嵌入 式微处理器为核心的控制器对该系统进行控制，设计一种新型的基于a r m 微处理器的 电液位置伺服控制器。论文的主要内容如下： 1 ：简要叙述嵌入式系统的开发流程，以及本课题所要实现的功能进行说明，并以 此设计出基于a r m 微处理器的电液位置伺服控制系统的总体方案。 2 ：根据控制系统的总体设计方案，对所涉及到控制器核心部分嵌入式微处理器和 嵌入式操作系统进行简要概述，并最终确定本系统控制器所使用的嵌入式微处理器和嵌 入式操作系统。 3 ：根据所选择的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统，完成系统控制器中硬件和软 件的设计和开发任务。 4 ：在对系统进行实验调试中，说明所使用的开发调试工具，并举例说明应用程序 的调试过程。 5 太原理工大学硪硒究生学位论文 5 ：在电液位置伺服系统控制策略的选择中，将p i d 控制、滑模变结构控制、模糊 自学习滑模三种控制策略在m a t l a b 软件中m 文件编写程序实现仿真比较，根据仿真 结果选择适合的控制策略，也为模糊自学习滑模程序在a r m 中的程序实现提供了依据。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章嵌入式系统的开发流程及总体设计方案 2 1 嵌入式系统的开发流程 嵌入式系统的开发流程如图2 1 ，嵌入式系统的开发主要经历五个步骤n 6 】。第一步 是a r m 系统设计从系统需求的一些具体功能分析入手；第二步是规格说明，要对系统 相对应的功能用一些专业的技术指标进行表示并说明；第三步是体系结构设计，以大的 构件为单位设计系统内部详细构造，明确软、硬件功能的划分；第四步是构件设计，主 要进行软、硬件的设计工作，具体说是指专用硬件芯片的选择、硬件电路设计和系统软 件程序模块设计；第五步是系统的调试和集成，在完成了所有构件设计的基础上，对所 设计的系统软硬件先进行各功能模块的调试工作，进行再将各个软硬件功能模块集成在 一起进行，做系统的集成工作，最后构造出所需的完整系统。 需求分析 上 规格说明 上 l 体系结构设计 上 构件设计 上 i 系统调试与集成 图2 1a r m 系统的设计流程 f i 9 2 1d e s i g np r o c e s so fa r ms y s t e m 针对本课题具体的研究对象，以a r m 系统的开发设计流程为依据，具体说明本课 题中控制系统的开发流程，如图2 2 所示。 基于a r m 的电液位置伺服系统的开发流程。其具体的步骤为： 1 ：系统需求分析。它决定了系统的整个设计过程。对于本课题主要是完成对电液 位置伺服系统的控制，即完成系统的a d 输入、数据处理、p w m 输出控制、报警提示 等等。具体内容将在后续章节介绍。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 基于a r m 的电液位置伺服系统的开发流程 f i 9 2 - 2d e s i g np r o c e s so fe l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns c r v ob a s e do na r m 2 ：选择嵌入式微处理器。它是嵌入式系统开发设计的关键一步，根据本课题中系 统所要达到的功能要求，并结合硬件价格、可靠性等多方面因素，综合考察来选择合适 的微处理器。通过比较选择了$ 3 c 2 4 1 0 微处理器，再以它为硬件的基础，进行扩展开 发，完成系统的功能要求。 3 ：选择合适的操作系统。现阶段操作系统的种类多，大体上可以分为实时操作系 统和分时操作系统；商用型操作系统和免费( 公开) 型操作系统，但在选择时，通常是根 据系统的控制要求进行选择。在本课题中实时性是一个重要考虑因素，通过比较选择了 u c o s i i 操作系统。具体内容将在后续章节介绍。 4 ：应用程序的开发。本课题中，在嵌入式微处理器a r m 上成功实现u c o s 1 1 操 作系统的移植工作后，便可以在该操作系统上编写应用程序，可以实现多任务的工作。 5 ：应用程序的测试。在进行编写应用程序时，按照各个功能要求首先开发各自独 立的功能模块程序，并在整体系统测试之前，完成各个功能模块程序的调试工作。 6 ：整个系统的测试。结合调试成功的模块程序以及相关的硬件，最后完成系统的 集成测试工作。一般在基于微处理器的系统开发中，都是采用宿主柳i ，目标机方式并结 合专用的仿真调试软件进行联合调试。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 基于a r m 微处理器的电液位置伺服系统的功能要求 现阶段嵌入式微处理器的应用场合很广泛，面临要处理的控制对象以及功能要求也 很多，但是对于这些功能要求来说，还是具有一些相似，具体的不同主要体现在控制要 求的精度、控制的通道数等方面。下面具体阐述本课题中对电液位置伺服系统实现控制 的6 个功能要求。 1 ：a d c 转换：a d c 转换是将外部调理好的模拟量信号转换成微处理器可以接受 的数字量信号。不同的被控对象所要求的转换精度和转换通道数一般不同。本课题中 a d 转换器采用的是a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 微处理器，它具有8 通道且1 0 位的a d c 转换器， 同时为了满足高精度转换，提供了a r m 9 微处理器的a d c 扩展模块的设计方案。 2 ：d a c 转换：d a c 转换是将微处理器处理后的数字信号转换成模拟量信号，并 用模拟信号驱动执行机构去控制被控对象。在课题中d a c 扩展模块采用的是脉宽调制 ( p w m ) 输出的方式进行控制。为了能够达到控制液压缸，设计了相应的极性转换电路和 伺服放大电路。 3 ：d i 数字量输入：主要用于向微处理器发送开关量信号，微处理器在接收到d i 数字量输入信号后，根据事先预定的程序顺序产生控制信号。在本课题中，利用按键的 数字量输入，可以实现多任务的定义。 4 ：d o 数字量输出：直接输出数字量，用于驱动相关的执行机构。如直接输出数 字量直接驱动继电器，同时也可以根据被控对象的控制要求，输出产生占空比一定的 p w m ( 脉宽调制) 信号，经相关的电路模块，控制电液伺服阀等。在本课题中，正是利用 了此思想，完成对电液位置伺服系统的控制。 5 ：定时器、计数器：主要用于实现定时功能及脉冲数和时间的测量。在本课题中， 对电液位置伺服系统中的位移传感器进行定时采集数据，采用了定时器；同时，在 p w m ( 脉宽调制) 输出控制中，高精度的计数器也得到了应用。 6 ：r s 2 3 2 串行通讯：利用r s 2 3 2 串行口，可以实现上位机与下位机的数据传输， 达到相互通讯的目的。在本课题中的系统设计中，为了有利于应用程序调试，实现对 a r m 微处理器的仿真调试工作，需要通过p c 机的r s 2 3 2 串行接口与串行通信接口 u a r t 0 相连，同时通过调用编写好的串口子程序，向p c 机发送信息，并观察p c 机的 超级终端来实现a r m 微处理器的仿真调试工作。 9 太原理工大学硬士研究生学位论文 2 3 基于a r m 微处理器的电液位置伺服系统总体设计方案 电液位置伺服系统控制如图2 3 可知，它一般包括前端的检测元件位移传感器、 a r m 9 控制器、伺服放大器、电液伺服阀和负载等。现简要说明如下： 圈2 - 3 基于a r m 9 的电液位置伺服控制系统总体结构图 琢簖- 3c o l l e c t i v i t ys t r u c t u r ed i a g r a mo fe l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e l v os y s t e mb a s e do na r m 9 1 ：前端的检测元件主要有位移传感器及前端信号的调理电路。本实验台中采用的 位移传感器是f w d l 型位移传感器，提供输出电流为4 - 2 0 m a 。在采集位移传感器 信号之前，前端要求有信号调理电路，调理电路采用的是电流，电压转换电路。 2 ：在本控制系统中，控制器是核心部分，起到前端位移传感器信号的采集、处理 以及后端输出控制信号的传输任务。该控制器是以a r m 9 微处理器作为电液位置伺服 系统控制器的核心，设计相配套的外围电路，使其具有数据采集、存储、输出控制等功 能，完成电液位置伺服系统的控制。 3 ：电液伺服阀是将输入的电气信号转换为液压信号输出的元件，它的性能对整个 系统的影响很大，是电液伺服系统的关键部件。它的控制精度高、响应速度快，是一种 高性能的电液控制元件。在伺服阀中有两个线圈，可以分为五种接法。即单线圈接法、 双线圈单独接法、串联接法、并联接法、差动接法。在本课题中，线圈的接法采用的 是串联接法。 4 ：液压缸在电液伺服阀输出压力油的作用下，推动活塞运动。负载一般装在活塞 杆末端，由液压缸的液压油对负载施加作用力。 通过以上各主要组成部分的介绍，对电滚位置伺服系统的控制主要分为液压缸位移 量的采集、a r m 9 微处理器的数据处理、控制策略的处理、p w m 输出控制、伺服放大器 的功率放大、液压缸的移动等部分。该系统的具体控制过程是a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 微处理器 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过采集位移传感器的模拟信号，将其传送至t j a r m 9 ( s 3 c 2 4 1 0 ) 微处理器中迸行数字滤 波、线性化处理，得到此时的实测位移量，把这个实测量与控制要求的位移壁进行比较 计算，褥出误差量，再根据这个误差量利用控制策略计算此时的输出控制量，用该控制 量去控制p w m 的输出，输出的控制量信号经过极性转换电路和饲服放大瞧路后，送入 到电液伺服阀的输入线圈中，驱动伺服阀动作，电液伺服阀便产生流量来控制液压缸活 塞的运动，这样当误差量存在时，根据以上控制过程，电液伺服阀便产生一个对应的流 量，迫使液压缸活塞带动负载运动，而液压缸活塞运动时，也同样带动反馈的位移传感 器的活动端运动，因而反馈的位移传感器的输出信号也随之变化。通过不停的反馈调整， 电液伺服阀的输出流量也随之减小，因而液压缸活塞的运动开始减慢，直到误差量在设 定的范围之内。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章嵌入式微处理器和嵌入式操作系统概述 嵌入式系统重点在于嵌入，它是被嵌入在各种设备、装置或系统中完成特定功能豹 软硬件系统，同时它也是大设备、装置或系统中的一部分。从技术蹙度说，嵌入式系统 将应用程序、操作系统和硬件集成在一起，以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬 件可裁剪的专用系统。嵌入式微处理器和嵌入式操作系统分别是嵌入式系统中硬件部分 和软件部分的重簧组成之一，它们的选择会宜接影响到系统功能的正常运作。在此，说 明嵌入式微处理器和嵌入式操作系统的选择。 3 1 嵌入式微处理器分类 随着计算机技术、微电子技术的迅速发展以及应用需求的增多，嵌入式微处理器体 系结构经历了一个从c i s c 到r i s c ，位数从8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位的发展历程。 现阶段，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构有3 0 多个系 列，并且很多半导体制造商离主设计的处理器已经成为未来嵌入式领域的趋势，处理器 其有品种越来越多，处理速度越来越快，性麓越来越强，价格越来越低等优点。如嵌入 式处理器的寻址空闻可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从o 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s t 2 0 1 。 图前，一般可以将嵌入式处理器分成4 类，即嵌入式微控制器m c u ( m i c r oc o n t r o l l e r u n i t ) 、嵌入式处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 、嵌入式微处理器m p u ( m i c r o p r o c e s s o ru n i 0 和嵌入式片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。其中微控制器m c u 称为单片 机，是一种8 位微处理器，嵌入式微处理器d s p 多用于信号懿处理，片上系统s o c 是 将各功能做在一个芯片上，使之成为一个独立的处理芯片，丽本溧题所指的微处理器是 指a r m 微处理器。 3 2 常见的嵌入式微处理器 嵌入式微处理器有许多流行的处理器核，芯片生产厂家一般都是基于这些处理器核 生产不同型号的芯片。下面介绍几种常见的嵌入式处理器架构，以及典型芯片制造商生 产的芯片型掣2 秘。 、 羔：a r m s t r o n ga r m 呈3 太原理工大学硕士磅究生学位论文 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位r i s c 微处理器知识产权 设计供应商。a r m 已经成为很多领域中嵌入式系统解决方案的r i s c 标准。在后续章 节将重点对a r m 微处理器进行说明。 2 ：m 璎s m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e l i n e ) 是一种处理器内核标准，它是由 m i p s 技术公司开发的。m i p s 技术公司是一家设计并制造高性能、高档次的嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要地位。m i p s 技术公司除了开发 m i p s 处理器结构，还推出了相应的集成开发工具( 鹾伊sd f ) ，另外，该公司又生产 基于m 1 p s 的3 2 位1 6 4 位芯片。m i p s 的定位很广，m i p s 芯片的使用领域也很多，如在 高端它有6 4 位的2 0 k c 家族，在低端市场有s m a r t m i p s 等。 3 ：p o w e r p c p o w e rp c 架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。p o w e rp c 处理器品种很多，既有 通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务 器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。 目前p o w e rp c 独立微处理与嵌入式微处理器的主频从2 5 瑚7 0 0 不等，它 们的能量消耗、大小、整合程度、价格差异悬殊。主要产品模块有主频3 5 0 z 7 0 0 m h z 的p o w e rp c 7 5 0 c x 和7 5 0 c x e 以及主频4 0 0 m h z 的p o w e rp c 4 4 0 g p 等。嵌入式的p o w e r p c 4 0 5 ( 主频最高为2 6 0 m h z ) 和p o w e rp c 4 4 0 ( 主频最高为5 5 0 m h z ) 处理器内核可以用于 各种集成的系统芯片( s o c ) 设备上，在电信、金融和其它许多行业具有很广泛的应用。 基于p o w e rp c 架构的处理器主要有i b m p o w e r p c 和m o t o r o l a ：p o w e rp c m p c 8 2 3 e 。 4 ：x 8 6 x 8 6 系统处理器起源于k t e l 架构的8 0 8 0 ，在发展如2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 、直到现在的 p e n t i u m 4 、a t h l o n 和a m d 的6 4 位处理器h a m m e r 。从嵌入式市场来看，4 8 6 d x 是和 a r m 、6 8 k 、m i p s 以及s u p e r h 齐名的五大嵌入式处理器之一，8 0 8 0 是第一款主流的 处理器。今天的p e n t i u m 和当初的8 0 8 0 使用相同的指令集，这有利也有弊，利是可以 保持兼容性，至少1 0 年前写的程序在现在的机器上还能运行；弊是限制了c p u 性能的 提高。基于x 8 6 处理器核的嵌入式微处理器主要有g e o d es p l s c l 0 和s t p c 高度集成 x 8 6s o c 。 5 ：6 8 k 怼k l d f i r e 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o t o r o l a6 8 0 0 0 ( 6 8 k ) 是出现的比较早的一款嵌入式处理器，6 8 k 采用的是c i s c 结 构，与现在的p c 指令集保持了二进制兼容。c i s c 是个人电脑c p u 常用的，i n t e l 、a m d 、 v i a 都采用了c i s c 指令集，只有a p p l e 电脑中的p o w e r p c 使用了r i s c 架构。最初使 用c i s c 指令集是有道理的，因为c i s c 指令数量少，执行效率更高，而且当时的c p u 时钟频率不同，没有涉及到现在的超标量和超流水线问题。r i s c 是精简指令集，每条 指令长度都一样，有利于简化译码结构，减少处理器的晶体管数量，这对于嵌入式处理 器来说是很重要的。 3 3a r m 微处理器概述 3 3 1a r m 微处理器核简介 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，其中r i s c 的全称是r e d u c e di n s a u c t i o n s e tc o m p u t e r ，含义是精简指令集计算机，因此a r m 可以认为是一类微处理器的通称旧。 a r m 不是单片机，而只是一个单片机的内核，类似于单片机中的中央处理器，一般称 为a r m 微处理器结构。这个微处理器结构拥有自己的指令代码集，可以通过执行代码 控制外部设备，以微处理器为核心设计出各种外部设备，并把它们用总线连接到一起， 就组成了不同结构和性能的处理器。 3 3 2a r m 微处理器结构 a r m 微处理器采用的r i s c 体系结构，为了能够对r i s c 有更深入的了解。必须将 它与c i s c 体系结构进行比较。 c i s c 的含义是( c o m p l e xi n s t r u c t i o