（机械电子工程专业论文）基于arm的数字式比例放大器的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着工业自动化的发展，各行业对液压控制系统的要求也越来越高。数字式 比例放大器以其控制精度高、性能好等优点已经成为当今比例放大器的必然发展 趋势。本文结合当今国内外比例放大器发展现状，提出并实现了一种控制性能好、 可靠性高、稳定性强的数字式比例放大器。该放大器以a r m 为主控制器，采用 软件代替硬件的方式，在放大级中运用p w m 反接卸荷式功率驱动电路代替传统 的功率驱动电路，通过上位机人机界面对下位机进行参数读取和设置，提高了系 统灵活性，减少了系统功耗，提高了比例放大器的稳态和动态性能。 本论文共分为六章，主要研究内容如下： 第l 章，介绍了电液比例技术和比例放大器的发展历程及国内外研究现状， 阐述了本论文研究的意义及主要内容。 第2 章，通过删处理器与单片机的比较，确立了以删处理器作为主 控制器，从而提出了基于a r m 的数字式比例放大器总体研究方案，并阐述了本 论文研究的比例放大器的工作原理。 第3 章，详细阐述了以a r m 系列l p c 2 3 6 8 芯片作为主控制器的各个硬件 模块的研究，完成了包括主控制模块、电源模块、输入接口模块、功率放大级模 块、测量放大电路模块、通信模块等在内的整个硬件系统的研究开发。 第4 章，利用a d s l 2 和s u a lc + + 集成开发环境，分别完成了下位机删 控制程序和上位机人机控制界面的开发，并阐述了下位机删程序各模块设计 以及上位机人机界面功能。 第5 章，针对本论文研究的比例放大器，在p i 和p i d 参数整定后，在试验 台上完成比例放大器相关实验。 第6 章，总结了论文的主要研究工作，并对今后的研究工作做出展望。 面 关键词：a r m 处理器、数字式、比例放大器、p w m 、软件代替硬件，人机界 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h e d e v e l o p m e n t o fi 1 1 d u s 仃i a la u t o m a t i o n ，h y d f a u l i cc o n 仃o ls y s t e m s d e m a n d1 1 i g h e ra n dh i 曲e rp r e c i s i o ni nv a r i o u si n d u s 仃i e s w i t hi t sh i 曲a c c l l r a c ya n d g o o dp e 哟加丝n c e ，d i g i t a lp r o p o f t i o n a l 锄p l i f i e rh a sb e c o m ea ni n e v i 诅b l e 廿e n d i n t h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt 0 也er e c e n td e v e l o p m e n ts t a 似so ft h ep r o p o f t i o n a la m p l i f i e ri n h o m e2 l r l da _ b r o a d ， ad i 垂t a lp r o p o r t i o n a la m p l i f i e ri sp r o p o s e da n dp r e s e n t e d ，w h i c h h a sg o o dc o n 仃0 lp e 哟衄a n c e ，h i 曲r e l i a b i l 埘a l l ds 仃0 n gs 讪i l 时b yu s i n gt l l e 删 c o n 仃o l i e fa n dt h es o f 时a r ei n s t e a do fh a r d w a r ec i r c u i t s ，r 印l a c i n g 血e 仃a d i t i o n a l p o w e rd r i v e rc i r c u i tw i 也p w m 锄t i - 砌o a d i n gp o w e rd r i v e rc i r c u i t ，r e a d i n g 锄d s e t t i n gn l em a c h i n ep a r a m e t e r st h r o u g hp ch l l m a n - m a c h i n e 证e r f a c e ，t h i sd i g i t a l p r 叩o r t i o n a la 玎叩l i f i e r h a si m p r 0 v e ds y s t e mn e x i b i l i 吼r e d u c e ds y s t e mp o w e r c o n s 眦p t i o n ，a n dt h et o t a lp e r f 6 n a n c ei ns t e a d ya n dd y 眦l i cs t a t e sh 弱a l s o 伊e a t l y i m p r 0 v e d t l l i sd i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t os i ) 【c h a p t e r s ，t h em a i nc o n t e n t sa f ea sf o l l o w s ： t h ef i r s t c h a p t e r i n 廿o d u c e sm ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i m a t i o no f e l e c 仃0 一h y d r a u l i cp r o p o n i o n a lt e c h l l i q u e a n dp r o p o n i o n a l 锄p l i f i e r n e nt l l e s i 蛳f i c a j l c ea n d 血ei n a i nc o n t e n t so f t l l i sr e s e a r c ha r ec l 撕f i e d i n 吐l es e c o n dc h 印t b yc o m p a r i n gt h e 删p r o c e s s o rw i 也龀m c u ，t h e armp r o c e s s o ra st h em a s t e rc o n 仃o l l e i 觚dt l l eo v e r a l lr e s e a r c hs t n 虬t l eo f 也e m 百t a lp r o p o r t i o m l 锄p l i f i e ri se s t a b l i s h e d a tl a s t ，t h ew o r kt h e o r yo fm i s 锄1 p l i f i e r i sd e s c r i b e d t h et b j r dc h a p t e rd e s c r i b e sv a r i o l l sh a r d w a r em o d u l e so ft 1 1 ep r o p o n i o n a l 锄p l i f i e rb a s e do na r ml p c 2 3 6 8 ，i n c l u d i n gt h em a i nc o n 仃o lm o d u l e ，p o w e rm o d _ u l e ， t h e 邱u t i n t e r f a c em o d u l e ，m ep o w e r 锄p l m e rm o d u l ec o 眦硼i c a t i o nm o d u l e s ，e t c t h ef o l l r t l lc h a p t e fp r e s e n t st h ed e s i g no ft h e 久r mc o n 仃o ls o 觚a r e 觚d 也e t m m a n m a c l l i n ei n t e r i a c e ，w h i c h a r es 印a r a _ t e l yd e v e l o p e db yu s i n ga d s1 2a n d m 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t s u a lc + + i nt h ef i 弛c h p t e r ，b yu s 血gt h ed i g i t a lp r o p o r t i o 衄1 锄p l i f i e r ，s e v e r a lr e l a t e d e x p e r i m e n t sa r ec o m p l e t e da f t e rm ep i 锄dp i dp a r a m e t e rn m i n g t h es i x t hc h 印t e rs u n m l a r i z e s 也em a j o rr e s e a r c hw o r k ，a n dt h ef u t u r er e s e a r c hi s a l s op r o s p e c t e d k e y w o r d s ： a r mp r o c e s s o r d i g i t a l ，p r o p o r t i o n a la m p l i f i e r p v ，s o 触a r e i n s t e a do fh a r i 【w a r e h u m a n - l n a c h i n ei n t e 血c e 浙江大学硕士学位论史致谢 致谢 随着本论文的完成，近三年的硕士研究生生活和近二十年的学生生涯也即将 结束。这近二十的书海邀游，倾注了自身大量的心血，更凝结着众多师长、亲人、 朋友的育导、鼓励和关怀，每思及此，常怀感激。 首先向我的导师朱世强教授致以衷心地感谢。朱老师思睿观通、敦厚豁达、 修业严谨、治学有方，在学术上给我悉心指导，在思想上予以激励启迪，在生活 上予我无微关怀。每逢座谈交流，朱老师开阔的眼界、高瞻远瞩的思维、妙趣横 生的言语、智者般的敦敦教诲，都使我豁然开朗，如沐春风，如饮甘醴。同时也 要感谢师娘杨立忠女士，师娘温婉贤淑、蕙质兰心，一直以来在生活上对我关怀 备至，使我虽身在他乡，亦感到温暖如家。 其次向我的授业恩师金波老师致以诚挚的谢意。金老师学识渊博，治学严谨 精益求精，百忙之余，读书不辍；为人师表，率先垂范；传道授业，呕心沥血。 当我面对科学高峰踟蹰彷徨时，是恩师鼓励我“攻坚莫为难，只怕肯攀登”；当 我在科学的圣殿中步履维艰时，是恩师指点我“问渠那得清如许，为有源头活水 来”；当我埋头书本执迷不悟时，是恩师引导我“纸上得来终觉浅，绝知此事要 躬行”。有幸师从恩师近三载，聆听恩师教诲，受益匪浅，师思此情，终生铭记。 同时要感谢刘华山、赖小波、王会方、赵利军、孙杰、李江波、吴剑波、闫莎 莎、吴文祥、曹新星、郑东鑫、崔壮平、李云飞、陈诚、台玉柱、胡任等同门师兄 师姐的无私帮助和指导；感谢马璇、罗召成、陈志伟、郑凌、朱雅光、陈刚、王玉 翰等同届同门的悉心关心和照顾；感谢陈庆城、柱佳伟、张峰、林龙贤、卢正华、 张璐璐、方雄、李晨、张璐等同门师弟师妹的大力支持和帮助。衷心地祝你们工作、 学习顺利，将来一帆风顺，前程似锦。 最后，感谢我的家人，是你们在我求学的生涯中给了我心灵慰藉的港湾，感谢 你们一直以来对我的关怀、理解和帮助。 张德盛 二零一二年二月于浙大求是园 l 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪沦 1 1 电液比例技术的发展 第l 章绪论 作为电液控制技术的重要组成部分，电液比例技术始于第二次世界大战之 后，发展到现在已经经历了七十多年。第二次世界大战后期，由于喷气式飞机的 速度很高，因而其对控制系统的快速性、动态精度和功率一重量比都有很高的要 求【。在1 9 4 0 年底，电液镯服系统首先出现在飞机上，主要用于军事运用，其 滑阀由伺服电机拖动。伺服电机惯量很大，成了限制系统动态特性的主要环节。 5 0 年代后期，出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统 成为当时响应最快，控制精度最高的伺服系统。1 9 5 8 年，美国勃莱克布恩等公 布了他们在麻省理工学院的研究成果，为现代电液伺服系统的理论和实践奠定了 基础【舶。到了2 0 世纪6 0 年代，各种结构的电液伺服阀相继问世，特别是以摩格 为代表的采用干式力矩马达和级间力反馈的电液伺服阀的出现和各类反馈技术 的应用，电液伺服技术也日臻成熟。电液伺服系统已逐渐成为军事、航空航天自 动控制以及部分民用工业设备自动控制的重要组成部分。6 0 年代后期，由于对 各类工艺过程的研究，人们对其精确数学模型有了较深的了解，因而对工艺过程 控制提出了更高要求，各类民用工程对电液比例技术的需求也变得十分迫切。 但是，由于传统的电液伺服阀对电液流体介质的清洁度等要求非常苛刻，制 造和维护费用也非常高昂，系统的能耗较大，难以被各工业用户广泛接受，而传 统的电液开关控制( 即断通控制) 又不能满足高质量控制系统的要求f l 】【2 】【3 】。因 此为了满足工程实际的电液控制技术的要求，亟需开发出一种可靠、廉价，并且 控制精度和响应特性良好的伺服阀。在此背景下，电液比例控制技术就在上世纪 六十年代末应运而生，并迅速发展起来【6 1 。 电液比例控制技术从形成至今，大致可以分为四个阶段： ( 1 ) 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日 本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生。此 间，比例技术开始在液压控制领域中成为独立的分支，并以开环控制应用为主。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 这一阶段的比例阀仅仅是将比例型电一机械转换器( 比例电磁铁) 用于工业液压 阀，以代替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大 多不合受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在l 5 h z 之间，稳态滞环在4 一7 之间，多用于开环控制【l 】。 ( 2 ) 1 9 7 5 年到1 9 8 0 年间，比例技术的发展进入第二阶段。这是比例技术 发展最快的时期。此间，采用各种内部反馈原理的比例元件相继问世，耐高压比 例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。比例元件的工作频宽已达5 1 5 h z ，稳态滞环亦减小到3 左右，其应用领域不断扩大，可用于开环和闭环控 制【1 】【3 】【刀。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代，比例技术的发展进入第三阶段。在这一阶段，比例 元件的设计原理进一步完善，并采用了压力、流量、位移反馈和动压反馈及电校 正等手段，使得阀的稳态精度、动态响应和稳定性等都有了进一步的提高。除了 因制造成本所限，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业 伺服阀相判。这一阶段的另一项重大进展是比例技术开始和插装阀相结合，开 发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了8 0 年代电液比例 插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了带集成放大器的电 液一体化比例元件，电液比例技术逐步形成了8 0 年代的集成化趋势。第三个值 得指出的进展是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大 功率工程控制系统的节能提供了技术基础【3 】。在此期阍，浙江大学路甬祥提出了压 力直接检测原理，他应用该原理设计的比例溢流阀获得了德国发明专利【4 】【邹。按此 原理，国内外研制的比例溢流阀和比例减压阀的性能都获得了显著提高，实现了人 们长期以来所追求的等压力特性【4 】。 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代至今，是比例技术进一步完善的阶段。比例技术在固 定工程设备上不断得到广泛应用的同时，开始大量进入行走机械的领域，各种节 能的负载敏感控制，负载适应控制等节能器件与系统日益增多h 。其次，作为比 饲阀家族新成员的高速开关阀，正从小流量向中等流量发展，在快速性和结构简 单可靠方面显示其优势。另一个重要的进展就是适应电液比例闭环控制的快速增 长需要，出现了伺服技术与比例技术在一个新层面上相结合的产物，即伺服比例 阀。这种阀的电一机械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用伺服阎的结构 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 和加工工艺，解决了闭环控制要求死区小的问题，它对油液的清洁度要求低于电 液伺服阀，特别适用于各种工业闭环控制。此外，计算机技术与比例元件相结合， 开发出了数字式比例元件和数字式比例系统，并形成了不同总线标准的数字比例 元件接口【7 1 。 目前，由于计算机技术、信息技术、控制理论等技术的快速发展，通过这些 技术的引入及应用，电液比例技术也得到了长足的发展，其发展趋势也有着鲜明 的特点： ( 1 ) 数字智能化：随着数字器件的发展，数字芯片和微处理器将不断应用 到电液比例技术中，从而以软件的方式代替原来的硬件电路实现各种控制功能， 从而使整个系统控制更加灵活方便，实现电液比例技术的数字智能化。 ( 2 ) 集成一体化：由于电子器件越来越小型化，因而逐渐出现了传感器、 控制放大器、测量放大器和阀等元器件复合集成一体化的元件，并且可将电子线 路封装于阀或泵中，从而减少了插装和导线，使比例控制系统更为简洁精致，提 高了系统可靠性。 ( 3 ) 多功能化：当电液比例阀控制执行元件时，根据比例控制系统采用传 感器的不同、反馈量和控制算法的差异或者电子线路的切换等，可以分别控制位 移、速度、加速度、力( 或压力) 【8 1 ，从而实现系统功能的多功能化【8 1 。 随着未来的发展，电液比例技术将与微电子技术、计算机控制技术更加紧密 的结合，并随着这些技术的发展不断进行产品更新和换代。具有控制功能的电子 控制器、传感器、数字接口将成为液压元件不可分割的一部分，真正实现机电一 体化，从而推动电液比例技术赣着集成化、系统化、数字化方向发展。 1 2 比例放大器的发展及国内外研究现状 1 2 1 比例放大器的发展历程 在电液比例系统中，比例放大器作为核心单元，其性能及可靠性对整个系统 起着十分重要的作用。最初的比例放大器为模拟恒压式比例放大器，其控制性能 较差，而且多为开环控制引。之后随着比例电液比例技术的发展，比例控制放大 器逐渐发展为恒流式比例放大器。由于恒流式比例放大器不仅能够抑制负载阻抗 3 浙汀夫学硕士学位论史第l 章绪沦 热特性的影响，而且其带铁芯感性负载的动态性能要优于恒压式比例放大器，因 此恒压式比例放大器逐渐被恒流式比例放大器所取代【9 】 1 0 】。而到如今，现代比例 放大器已基本上都采用的是恒流式比例放大器结构【l n 。 从七十年代后期到八十年代初开始，由于比例元件采用各种内反馈原理，耐 高压比例电磁铁以及比例放大器在技术上日趋成熟，比例控制放大器有了模拟式 比伪放大器和开关式比例放大器之分【1 0 】。模拟式比例放大器功放管工作在线性 放大区，其功耗大、温升高，电功率利用率低，同时对大功率器件的功率、温度 等性能指标要求高，从而影响了控制放大器的可靠性，增加了放大器的成本。开 关式比例放大器的功放管始终工作在饱和区或截止区，功耗小，温升低【9 1 【1 6 】。因 此，从降低功耗这点来看，开关式比例放大器要优于模拟式比例放大器。此外， 在控制信号上叠加一定频率的交流信号，即设置颤振信号可以明显降低比例电磁 铁的滞环【l 引。 从控制性能方面来看，作为模拟式比例控制放大器，从本质上来说其功放部 分是一个线性的放大电路。在控制信号中叠加的颤振信号是一个幅值和频率均可 独立调节的波形信号，其输出经功率放大之后，可以得到幅值和频率与之相适应 的交流电流分量，即颤振电流【朋。通过调节颤振信号发生器输出信号的频率和 幅值即可得到不同幅值和频率的颤振电流。而低频开关式比例放大器则与之不 同，其开关频率与颤振信号频率( 一般为5 0 2 5 0 h 2 ) 接近【9 】【1 4 】，因而无法像模拟式 那样独立地产生颤振电流，其输出电流的固有纹波虽然也有颤振效果，但是，由 于电流纹波的频率与调制信号相同，而幅值与负载时间常数、调制信号频率、电 ；覃电压以及输入信号大小都有一定的函数关系，因此频率和幅值相互牵连，不可 独立调节，从而不能满足控制性能要求较高的系统要求【1 2 15 1 。 为了解决低频脉宽调制式颤振分量的频率和幅度不可独立调节的问题，经过 开关式放大器的改进，采用高频脉宽调制技术，可以使调制频率达到几千赫兹 1 9 】。高频开关式比例放大器不仅能够进一步的地提高电功率的利用率，克服模 拟式比例放大器电路复杂、对元器件性能指标要求高等缺点，还可以减小比例电 磁铁线圈电流纹波幅度以及开关特性的延迟时间对线圈电流的影响。此外，通过 运用快速型功率驱动电路，可以改善传统驱动电路引起的电磁线圈放电时间为充 电时间3 5 倍的现象，从而使充放电的速率相等，减少过渡时间，进而改善比例 4 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪沦 电磁铁的动态响应，提高比例阀的动态特性【2 0 】【2 。快速型功率驱动电路其基本 原理是：当电流衰减时，控制线路使功放管的集电极电位迅速升高，从而加快比 例电磁铁线圈电流的衰减速度。这种快速型功率驱动电路，在未对供电电源、大 功率整流元件及大功率功放管提特殊要求的前提下，明显加快了比例电磁铁线圈 电流的衰减速度，提高了比例电磁铁的动态频宽【1 】【2 2 2 3 1 。 随着数字器件的不断发展，比例放大器中引入了微处理器单元。首先通过模 数转换单元对外部输入的模拟量信号进行采样，将其转换为数字量信号；其次由 运行于微处理器上的软件完成对该数字信号的实时处理；最后将处理完毕的数字 量信号由数字量输出端口直接输出给功率级或者通过数模转换单元转换为模拟 量后输出给功率驱动级，具体输出何种信号由采用的功率级形式决定f 。这种放 大器的优点是数据处理单元的灵活性好，可通过软件实现较为复杂的信号处理任 务，而无需改变硬件电路f 1 】【7 1 。另外，数字式比例放大器除了提供传统的模拟量 接口和数字量接口以外，还可以提供各种总线接口如4 8 5 总线接口及c a n 总线 接口等等【2 们，这一特点符合电控系统的网络化趋势。其缺点是稳定性不容易做 好，一旦由于外部干扰导致程序跑飞或复位，将会造成严重的错误输出。尽管如 此，只要通过合理的设计，软硬件系统是可以最大限度地减少故障率的，因此， 比例放大墨的数字化是必然趋势【l 】。 如今，随着比例放大器的发展，在电液比例控制领域，已经形成了典型比例 控制放大器( 如图1 1 所示) ，其一般由电源变换电路、输入接口、信号处理电 路、调节器、颤振信号发生器、前置放大级、功率放大级、测量放大器等部分组 成。 j 颤振l 剧 外部输入 广莉q 一百弓 国一丽疋又厂嵛哥阿司 7 j 量旦广1 竺堡广弋y ! ! ! r 妒墼盔广1 整奎_ - 一电源卜 - 一变换li 测量放l 执行单元 山 图1 1 典型的比例控制放大器 筑1 ；# 绪论 1 2 2 比例控制放大器国内外研究现状 比例控制放大器在国外的研究工作较早，许多液压件制造厂商，如a t o s 、 v i c k e r s 、b o s c hr e x r o t h 、t 0 w l e r 、b i n d e r 、s c h u l t z 、m o o g ，油研等公司，均有 规格较齐全的系列化产品应市【1 1 。r e x r o t h 、v i c k e r s 过去生产的比例控制放大器 大多为模拟式和低频开关式，现在逐步转向高频开关式：b i n d e r 则有很好的规范 化：m o o g 还提供具有遥控功能的m o o gn d l 系列比例放大器【2 8 1 ；曰本的油研e h 系列比例阀将比例控制放大器集成在位移传感器插座上，外加液晶显示，构成内 置式比例控制放大器，体积小、成本低 1 】【2 4 1 。例如r e x r o t h 有v t 2 0 0 0 、v t 3 0 0 0 、 v t 5 0 0 0 、v t - v s p a 、v t - v r p a ；a t o s 有e b m a c 、e m i a c 、e m e a c 、e r i t c ； 日本油研公司有a m e d 1 0 2 0 0 2 0 、a m e t - s 、黼d f s 等一系列应用于不同 比例阀的各种比例放大器【2 弘2 7 1 。其中v t - v r p d 系列的比例控制放大器是一种智 能数字式比例控制放大器，它的信号放大及处理、斜坡信号、阶跃、p i d 控制、 逻辑控制器等都通过软件来完成。同时，这种比例控制放大器设计了错误监控功 能，如控制出现错误、电磁铁接口电路故障、位置传感测量系统故障、电压过低 等，都可以发出警告并按要求执行相应的指令，其完成一次监控循环所需要的时 间仅为零点几毫秒甚至更短【9 】【2 5 1 2 6 】。 曩一 - t 接 ：l 剽 i 璀 氮遗 图1 2 r e x r o t hv t - 廿d 比例放大器 1 3 曰本油研a m e d 1 0 2 0 0 2 0 放大器 随着电液比例控制技术的迅猛发展，国内一些公司和研究机构也对比例控制 放大器展开了一系列的开发和研究工作，也已经有部分通用型单向及双向模拟 式、开关式和快速型比例控制放大器开发研制成功，并已投入小批量生产1 1 。在 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 这些产品中，快速型比例放大器是一种应用发展比较有前途和市场的比例控制放 大器，它采用的是高频开关放大技术和新型的反接卸荷式功率驱动电路，不仅能 显著地改善比例电磁铁的动态性能，还能解决传统低频开关式颤振信号频率和幅 值不可独立调节等问题，并且具有良好的控制性能吼同时，与模拟式比例放大 器相比，其不仅减小了散热装置体积、功耗小，而且降低了对大功率元件的要求， 成本低，可靠性好【1 1 ，因而具有广阔的市场前景。 为了适应比例控制技术向高动态、高精度等方向发展，浙江大学流体传动及 控制研究所开发研制出了b k 1 2 型带反馈快速开关式双路比例控制放大器【， 其主要采用了开关放大技术，降低了功耗，同时采用了高频脉宽调制，使得颤振 信号频率和幅值单独可调，从而改善了稳态控制性能。此外，该比例放大器还采 用了反接卸荷式功率驱动电路，使得比例电磁铁的电流动态响应快速性得到大大 提高，能满足较高的动态性能要求【1 l 【9 】。 目前国内大部分公司都只是代理国外的数字式比例放大器，如福建东驰电子 技术有限公司等，能自主进行生产的公司还不多。其中，杭州励贝电液科技有限 公司经过对国外的r e ) 【r o 也、a t o s 等公司的比例放大器研究学习，到如今，尽管 也已研制出一些数字式比例放大器，但是其功能和性能稳定性和国外的相比仍有 不小差距，其很多功能仍然通过硬件实现，不能通过上位机软件来进行参数设置， 参数调控比较繁琐，仍有很多地方需要改进【2 9 1 。 1 - 3 课题研究的内容及意义 1 3 1 课题研究的意义 随着科技的发展，船舶、机器人、航空等工业部门、工程机械、自动化生产 线等对电液比例控制系统的要求也越来越高，而传统的电液比例控制系统在许多 工业领域中都已难以满足实际的要求。随着电子元器件制作水平的提升，其性能 得到大幅度提高，价格也逐渐下降，从而使得电液比例技术能迅速发展起来。因 此，如何更好地将现代控制策略和电子技术等有机地与电液比例技术相结合，充 分发挥各种技术的优点，从而使电液比例技术在工业适应性、控制性能等方面得 到进一步地完善，这些都已成为了国内外电液比例技术研究的重要课题【9 1 。 - 7 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 如今，国外各大公司已研制出带微处理器芯片的数字式比例放大器，这种比 例放大器不仅简化了系统的参数调整，可通过软件方式产生各种所需求的输出曲 线，而且其内部的许多功能模块( 如斜坡、颤振、死区补偿、p d 参数调节等) 均 可完全以软件编程方式来实现，从而简化了系统的硬件结构，提高了比例放大器 控制系统的灵活性。随着现代电子技术、现代控制策略等不断地应用到比例放大 器中，其功能将得到进一步完善【9 】。 而国内的比例放大器一般采用在输出电流的波形上叠加颤振信号的方法来 改善阀的控制特性和滞环，此种放大器调整的参数多、调整过程比较繁琐，同时 自身也不能按照用户的要求输出各种所需的时间一电流输出曲线【9 1 ，并且尚无自 行研究开发的数字式比例放大器的成熟产品，因而目前国内对性能良好、价格适 宜的数字式比例放大器仍然有相当大的市场需求【3 1 1 。 正因为如此，开发一种性能良好、价格适宜、具有自主知识产权的数字式比 例放大器以取代传统的比例放大器，不仅能够简化比例控制系统，提高系统可靠 性，而且能够有效地改善工程应用的灵活性，为电液比例技术及比例阀的推广和 使用奠定良好的基础，因而具有很强的现实意义。 1 3 2 课题研究的内容 尽管国外a t o s 、b o s c hr e ) 【r 0 也等公司都已经研发出了数字式比例放大器， 并有相应的成熟产品，但国内数字式比例放大器技术尚不成熟、完善，与国外的 数字式比例放大器技术水平相差甚远。因此，在借鉴国内外研究的基础上，本论 文提出了基于删的数字式比例放大器，并着重研究以下主要内容： ( 1 ) 系统总体方案设计 传统的比例放大器多为模拟式的放大器，本论文深入研究了国内外比例放大 器的基本原理和技术特点，在此基础上提出一种以删为主控制器的新型数字 式比例放大器总体设计方案，设计并研制出一种高性能、适应性强的数字式比例 放大器，并解决其中的关键技术难题。 ( 2 ) 硬件系统研究与设计 硬件电路设计主要包括：电源电路( 包括数字电路部分和模拟电路部分需要 的电源研究与设计) ，模拟量、数字量输入接口电路，功率放大级电路，外部存 r 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 贮器扩展电路，通讯模块( 包括网络接口、串行通信接口、c a n 口) ，测量放大 电路，故障诊断电路，电源错接保护电路等几大功能模块电路的设计。 ( 3 ) 软件系统设计 软件系统设计通过集成开发调试工具a d s l 2 和s u a lc + + 来完成，主要包 括：a r m 控制器中控制系统软件整体结构的研究和设计，包括软件主体结构的 设计，各个实现特定功能的子程序的设计，主程序与各子程序的控制、调用、监 测的设计，各子程序之间的相互关系以及主程序和子程序占用硬件资源的分配设 计；删和上位机串口通讯的设计；上位机界面控制界面的设计。 ( 4 ) 系统调试及实验设计、分析 本论文的最终目的是设计出一种基于a r m 的通用性好、功能较完善的具有 自主知识产权的数字式比例放大器，因而在完成总体方案设计同时也将进行大量 的实验，用p r o t e l 完成放大器原理图、p c b 板的设计，放大器开发板制作，比例 控制放大器的性能测试实验，建立实验硬件系统，用比例放大器控制比例方向阀， 采集实验数据，通过实验数据分析，完成系统性能及比例控制放大器综合性能合 理优化改进。 1 4 本章小结 本章首先筒要介绍了电液比例技术的发展历史及现状，接着介绍了作为电液 比例技术的核心单元一一比例放大器的发展历程及国内外研究现状，提出了数字 式比例放大器的国内与国外的技术差距，结合当前国内的市场需求，提出了本论 文研究的出发点及意义，并介绍了课题研究的主要内容。 9 浙江大学硕士学位论文第2 章数武比例放大器总体方案研究 第2 章数字式比例放大器总体方案研究 作为电液比例控制的核心元件，数字式比例控制放大器得到越来越来广泛的 应用。目前国外的数字式比例放大器产品较为成熟，各方面性能都较为完善，但 是由于价格昂贵，极大的限制了其在国内市场上的推广和应用。而在国内尽管也 有一些人做过部分研究，但是其产品功能仍不够完善，稳定性与国外也存在不小 的差距，国内自行研究开发的数字式比例放大器尚未有成熟稳定的产品，因而在 国内，功能完善、性能稳定、价格实惠的数字式比例放大器存在着很大的市场空 间。 在此背景下，本论文通过对大量相关文献的综合分析，对国外先进放大器结 构的深入剖析，提出了一种基于a r m 的数字式比例控制放大器设计方案，以期 对传统的比例放大器有所改进，提高比例控制放大器的性价比和整体工作性能。 本章将首先通过介绍删与单片机的对比，确定以a r m 作为主控芯片，然后 详细论述本论文研究的基于删的数字式比例放大器的总体结构及工作原理。 2 1 核心主控制器芯片选择 2 1 1 主控制器芯片选用原则 在本论文初始研究阶段，首先需要对主控制芯片作出合适地选择，恰当地选 用的主控制器芯片对后期的硬件和软件设计会产生极大的影响。主控制器芯片的 选用原则主要是： ( 1 ) 主控制器芯片的性能应能满足课题研究任务的需要； ( 2 ) 主控制器芯片性价比尽量高； ( 3 ) 主控制器芯片应当有足够的片内存储器来存储数据和代码。如果不够时， 主控制器芯片应当能允许扩充适当的外部存储器以满足设计需求； ( 4 ) 主控制器芯片应该有适当的片内模块( 例如a d c 、串行通讯模块等) 来支 持所需的设计任务； ( 5 ) 主控制器芯片的功耗合适。 n 浙江大学硕士学位论文第2 章数字式比例放大器总体方案研究 本论文研究的数字式比例放大器是用于控制提供给比例电磁铁的特定电流， 从而实现对电液比例阎的闭环控制。电液比例阀是一种典型的机电液一体化装 置，其通常由电机械转换装置、机液转换装置和反馈装置等几大部分组成。输入 电信号通过比例放大器进行处理、放大，再通过比例电磁铁驱动电液比例阀阀芯 的移动，从而控制压力或者流量。因此，首先要求比例放大器能对控制对象具有 较好的控制性能，如控制信号稳定性、控制信号及系统快速响应性、过渡过程无 振荡和较高的稳态精度及较小的滞环等。此外，对于控制器成本低、可靠性高和 抗干扰性强等反面也应当有较高的要求。 根据上述要求，本论文采用的数字比例控制器初步选定为a r m 微处理器或 者单片机( 御u ) 两者中的一种作为系统的主控制器芯片。 2 1 2 删和单片机的比较 单片机从2 0 世纪8 0 年代开始就一直停留在8 位机的档次上，8 位的单片 机始终主导着应用的潮流。虽然1 6 位单片机也曾经有过一段热潮，但很快就销 声匿迹了。随着科技的发展，人们对单片机的性能速度、存储量，通信能力、 功能的多样性、开发的方便程度及耗电的多少等不断提出更高的要求【姗。3 2 位 单片机应用的高潮正悄悄到来。a r m 处理器就是近年来发展十分迅猛的一种体 系结构。 删处理器与单片机由于其发展历程和控制需求的不同，存在一定的差异 性，其主要区别主要体现在： l 、删是一个3 2 位处理器，而单片机只是8 位，在数据访问的处理方式 上相差很大。单片机采用8 位结构，其指令采用8 位的指令代码，进行8 位的数 据处理。而a r m 处理器采用3 2 位结构，其指令既可以运行3 2 位的删指令 系统，也可以运行1 6 位的n 1 】m b 指令系统，它既可以处理3 2 位数据，也可以 处理1 6 位数据和8 位数据【3 0 】【3 l 】。因此，a r m 处理器采用3 2 位数据结构，所表 达的信息量比单片机要强大得多。 2 、a r m 处理器有多种工作模式，而单片机只有一种。删处理器结构支 持7 种处理器模式。在删处理器中，用户模式是最基本的处理器模式，大多 数用户程序都是在用户模式下进行，除了用户模式外，其他模式均称为特权模式。 1 1 浙江大学硕士学位论文 第2 章数字式比例放大器总体方案研究 在特权模式中，管理模式也是常常用到的模式，s v c 可以用来设计操作系统的 保护模式；f i q 模式可以用来设计支持快速的数据传输和通道处理；瓜q 模式可 以用于通用中断处理；特权模式可以获得比用户模式更高的权限。在特权模式下， 程序可以访问更多的系统资源。而单片机只有一种模式，这在有些情况下使用受 到限制【3 2 1 。在单片机中，所有的资源在所有的情况下都可以利用。因为单片机 是一个比较简单的系统，所以有这样的结构。单片机也有中断，但这并不产生其 他模式。因为中断并没有特权，所有资源在所有情况下都是共享的【3 3 】。 3 、删处理器内寄存器只有一种，比如在t h 咖幽状态下，c p r s 程序状态 寄存器只有1 个，各种模式共用。而单片机有多种。 4 、指令的处理方式不同。一般地说，计算机在执行程序时，要分3 个步骤。 第一步是要把指令从程序存储器中取出来，称为取指。第二步是把读到内核的指 令进行译码，也就是把二进制的指令变换成门电路的动作。第三步是指令的执行， 把门电路的动作送到指定的目标地址。但应该注意的是，单片机指令是顺序读取 和执行的，而删处理器的3 个步骤是同时进行的。a r m 执行指令过程是： 第1 条指令译码的同时，第2 条指令已经开始取指；在第1 条指令执行的时候，第 2 条指令已经开始译码，第3 条指令已经开始取指。由于取指总是提前进行，所 以叫做预取指。这种指令的执行过程称为3 级流水线结构。在删系列中，流 水线级数越多，说明单位时间内执行指令的条数就越多f 3 2 】f 3 4 1 正由于这种结构， 所以a i 洲处理器指令吞吐量要大，运算速度要快。 正是由于删与单片机在结构、工作模式、寄存器、指令处理方式等方面 存在较大的差异，因而a r m 相对于单片机有其独特的自身优势【3 0 ： 1 、处理速度快、处理能力强，能给用户带来极大的便利删处理器作为 3 2 位处理器，由于其自身处理速度、处理能力和存储容量等特性，比8 位的单 片机要强很多，能给用户后续升级、扩容、改造等提供便利。 2 、安全性能高，确保用户数据不被丢失。随着工业的发展，传统的单片机 已难以满足智能化、数字化的要求，而删处理器由于处理能力强、内部资源 丰富能很好地解决此类难题，从而保证较高的安全性【3 4 1 。 3 、网络化方便。随着社会的发展，网络信息化已成为趋势所向。而传统的 8 位单片机由于自身功能局限性难移实现大网络通信，基本上都是通过外界网络 浙江大学硕士学位论文 第2 章数字式比例放大器总体方案研究 转换器将串口通信转换为网络通信，但是这种通信极不稳定，常常出现“掉线” 问题，造成数据丢失。而删芯片由于内部自带网络通信端口，只要与外围设 备结合就能实现网络通信，快捷方便。 4 、升级维护方便。以传统的单片机为核心的设备，一旦出现故障或者本身 存在缺陷需要升级，就必须把设备返回原厂进行处理，升级也不方便。而删 芯片内部支持l i n u x 操作系统，系统可以远程升级，一旦设备出现故障或需要进 行升级，只需要把修改或升级后的程序打包放置在网络上，用户直接从网络下载 安装即可。 总之，单片机和删代表两个不同时代的技术背景，它们都具有自身的技 术特点，但由于单片机受自身条件制约只能满足一些简单的要求，一旦遇上个性 化、复杂化的要求与a 蹦比起来就显得有些力不从心了。综合以上分析，结合 实际研究需要，本论文采用删处理器作为本研究系统的主控芯片。 2 1 2 系统a r m 芯片选型 删主控芯片作为整个数字式比例放大器的控制核心，其选择必须非常合 理，它对整个系统的性能有着决定性的作用。由于比例放大器主要应用于工业控 制领域，而工业现场的环境普遍较差，主要表现为恶劣的供电条件，严重的噪声 干扰( 如工业电源线等强感应信号、电磁波、中频电源、雷电等) ，工作环境的 湿度、温度复杂多变，灰尘、油、腐蚀性气体频繁存在等，因而对于系统的可靠 性和稳定性有严格的要求。此外，由于比例放大器的研制最终也是为了向市场推 广，因此，对于芯片选择的性价比也是需要考虑的一个重要因素。综合以上要求， 结合在速度和功能上的实际需求，本系统采用脚( 思智浦) 公司的l p c 2 3 6 8 芯片作为主控制器。 l p c 2 3 6 8 是一款基于删的微控制器，适用于为了各种目的而需要进行串 行通信的应用。它包含了l o l o oe t h e m e tm a c 、u s b2 0 全速接口、4 个u 6 唧、 2 路c a n 通道、1 个s p i 接口、2 个同步串行端口( s s p ) 、3 个1 2 c 接口、1 个 1 2 s 接口。l p c 2 3 6 8 芯片具有以下主要特性： a i 蝴7 t d m i s 处理器，可在高达7 2 舭的工作频率下运行； 高达5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器；局部总线上有高达3 2 k b 的s 洲， 1 3 浙江大学硕七学位论文第2 章数字式比例放大器总体方案研究 可以进行高性能的c p u 访问；外部存储器控制器支持诸如f l a s h 和 s r a m 的静态设备； 先进的向量中断控制器，支持多达3 2 个向量中断； u s b2 o 设备带有片内p h y 和相关的d m a 控制器；4 个带小数波特率 发生功能的u 刖盯，1 个带有m o d e m 控制i o ，1 个带有i r d a 支持，全 部都带有f 巧o ；2 路带有a c c e p t a l n c ef i l t e r f u l l c a n 模式的c a n 通道， 它们位于a p b 总线上； l o 位a ，d 转换器，带6 个管脚输入复用；l o 位d a 转换器； 看门狗定时器。看门狗定时器可由内部r c 振荡器、r t c 振荡器或a p b 时钟来计时； 2 2 基于a r m 的数字式比例放大器总体结构设计 一直以来，传统的比例放大器普遍采用的是模拟式控制，也称模拟式比例放 大器。模拟式比例放大器其对输入信号的处理是采用运算放大器及相关的电子元 器件所构成的模拟电路实现的。在这种比例放大器中，其斜坡、阶跃、线性度、 颤振信号、p d 参数等完全由硬件电路来实现，其参数设定完全依靠电位器以及 电路元器件的选用来确定调节，硬件电路复杂，灵活性差，可调节性非常有限， 很难适应各种场合的需要，存在明显的缺陷。 本论文研究的基于a r m 的数字式比例放大器，将斜坡，阶跃线性度、颤 振信号、p i d 控制等环节通过a r m 控制软件来实现，其参数可以通过上位机人 机界面软件来设定，同时部分参数也可以通过电位器