（机械电子工程专业论文）基于现场总线的智能液压比例阀控制器研究.pdf

太原埋工大学硕士研究生学位论文 r 。6 2 0 2 ；7 基于现场总线的智能液压比例阀控制器研究 摘要 基于现场总线( f i e l d b u s ) 的智能化控制单元的研究正成为当前自动 控制领域的研究热点，将传感器、测量放大器、控制放大器和阀复台一 体化的新型电液比例元件是电液比例控制技术中的一个新方向。本文研 究了直接在比例阀内集成微控制器，采用现场总线技术进行联网的新型 智能化电液比例阀，使比例阀的电控系统功能更加完善，适应现代自动 控制领域的新发展。 本文的主要工作包括：结合国内外的研究成果，提出了种基于现 场总线的新型智能电液比例阀模型；对流行的现场总线协议进行了研 究，选择c a n b u s 总线作为新型智能电液比例阀的总线接口，并分析了 其应用层设备通信协议；结合单片机系统特点，提出了一种适用于在单 片机系统中运行的智能控制算法参数模糊自整定p i d 控制算法；设 计了以单片机为中心的智能电液比例阀控制器；对设计的比例阀控制器 进行了初步的实验研究，验证了设计的正确性。 文章根据电液比例控制技术发展的需要，围绕新型电液比例控制阀 的设计，进行了一些初步的研究工作，设计了一个样机雏形。但这些工 作离建立一套完整的智能电液比例控制阀还相差甚远，大量的工作还有 待于今后进一步的研究。 盘原理工太学硕士研究生学攮论业 关键词现场总线，电液比例阀，c a n b u s ，单片机，数字控制器 p i d 控制算法 2 查垦堡三查堂里主塑塞垒堂篁堡塞 t h er e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g n ee l e c t r o l - h y d r a u l i c p r o p o r l l l o n a lv a v l ec o n t r o l l e rb a s e do nf i e l d b u s a b s t r a c t n o w a d a y st h er e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i tb a s e do n f i e l d b u si sah o tr e s e a r c hi nt h ei n d u s 晡a la u t o m a t i o n n e w e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o m p o n e n t s ，s u c ha sv a l v e ，w h i c hi n t e g r a t e s e r l s o r ，m e a s u r ee n l a r g e ra n dc o n t r o l l e rb e c o m e san e wd i r e c t i o no f e l e c t r o h y d r a u l i ct e c h n o l o g y f o l l o w i n gt h i st r e n d ，an e wi n t e l l i g e n t e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a n ew a sp u tf o r w a r d i n gi n t h i sp a p e r m i c r o 。c o n t r o l l e rw a si n t e g r a t e di nt h en e wv a l v e ，a n df i e l d b u st e c h n o l o g y w a si n t r o d u c e df o rn e tc o m m u n i c a t i o n a i io ft h i sm a k et h ef i m c t i o no f p r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o ls y n e mp e r f e c t e ra n da d a p tt h en e wd e v e l o p m e n t d e m a n do f m o d e r na u t o - c o n t r o lf i e l d t h em a i nr e s e a r e hw o r ki n c l u d ea sf o l l o w i n g ： an e wi n t e l l i g e n te l e c t r o * h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v em o d e lw a sp u t f o r w a r dc o m b i n e dw i t hr e s e a r c hp r o d u c t i o ni n d o o ra n da b r o a d ；s o m e p o p u l a rf i e l d b u sp r o t o c o l sw e r er e s e a r c h e d ，a n dc a n b u sw a ss e l e c t e da s 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 f i e t d b u si n t e r f a c eo fn e w i n t e l l i g e n te l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l v a l v e t h ea p p l i c a t i o nl e v e ro fc a n b u sa n dh y d r a u l i cd c v i c cp r o f i l e sw e r e s t u d i e d a i n t e l l i g e n t c o n t r o la r i t h m e t i c ，w h i c hc a nb eu s e di n m i c r o - c o n t r o l l e rs y s t e m w a sp u tf o r w a r d hi sc o n t r o lp a r a m e t e r sf u z z y s e l f t u n ep i dc o n t r o la r i t h m e t i c ai n t e l l i g e n te l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l v a l v ec o n t r o l l e rw h o s ec o r ei sm i c r o c o n t r o l l e rw a s d e s i g n e d h e p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sc a r r i e do u to i lt h ec o n t r o l l e rd e s i g n e d ， a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o wt h a tt h ed e s i g ni se o i t e c t i nt h i sp a p e r ，s o m ef i r s ts t e po fr e s e a r c hw o r kw a sp r o c e e d e da n da k i n dp r o t o t y p ew a sd e s i g n e d ，a c c o r d i n gt od e m a n do ft h ed e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n i q u e h o w e v e r , t h e r ei ss t i l lm u c hw o r k f o ru s t od oi no r d e rt oc o n s t i t u t eac o m p l e t es e to fi n t e l l i g e n t e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，w h i c hw i l lb ec a r r i e do ni no u rf u t u r e r e s e a r c h k e y w o r d ：f i e l d b u s ，e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，c a n b u s m i c r o - c o n t r o l l e r , d i g i t a lc o n t r o l l e r , p t dc o n t r o l a r i t h m e t i c 4 太孤理工夫学颓士磷究生学位论立 1 1 研究背景 第一章绪论 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发碰，信息交换沟通的领域 芷在迅速覆盏从工厂的现场设备朦到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、 车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自 动化系统结构的变革，为适应网络集成自动化系统的要求，基于现场总线 ( f i e l d b u s ) 的智能化控制攀元豹研究正成为当前自动控制领域的研究热 点“”1 。电液控制系统是全自动化学科中的一个重要组成部分，必然要顺 应这一发展潮流，扦发各静商性能、数字化、适应网络通信簧求的新型元 件。 11 1 电液比例技术的发展 现代液压控制技术始予= 次世界大战詹。今天，耥恿一体化的进程对 液压控制技术提出了更多的需求，而计算机技术和控制理论的发展则为液 压技术注入了粝的动力。 6 0 年代后期，各类民用工程对电液控制技术的需求，显得更加迫切 与广泛。但是，由于传统的电滚伺服阀对流体介质清漓度要求十分苛刻， 制造成本和维护费用比较高昂，系统能耗也比较大，难以为各工业用户所 接受，而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统要求。电液比例 控制技术，正是适应开发一种可靠、价廉、控制精艘和响应特性均能满足 一1 一 太原理工 学硕士研究生学位论立 工程技术实际需要的电液控制技术的要求，从6 0 年代末迅速发展起束的。 1 9 7 5 1 9 8 0 年，采用各种内反馈原理的比例元件大最问世，耐高压比 例电磁铁和比例放大器技术上也日趋成熟，工作频竟5 “1 5 h z ，稳悉滞环减 ，j 、到3 ，可用于开环、闭环控制。 8 0 年代以来，由于采用了更加完善的压力、流量、位移内反馈、动 压反馈年住电校正等手段和优化设计，器件的稳定特性除因制造成本所隈， 仍保留中位死区外，某些性能如线性度、滞环、重复精度等稳态特性上已 和伺服阚框当，翊的稳态精度、动杰响应和稳定性存了进一步提蠢，而工 作频宽( 3 2 5 e 2 ) 又具有足以满足大部分工业系统控制舞求的相当水平， 在对介质过滤精度要求( 过滤要求：比例阀约2 5 饲服阁1 5 pm ) 、 阀内压力损失和价格方面，低于伺服阀，颁具竞争力“”。1 。 比例控制系统是电液控制技术的一项新发展，是微电子技术与液压技 术间的接口。由于传感器和电子器件的小型化，出现了传惑器、测燕放大 器、控制放大器和阀复合一体化的元件，世界各大液压公司在其新型开发 的搿性能比例阀中直接集成可编程穿控制器和数据总线技术，使其电控系 统功能更加完善，成本显著降低“”1 。进入新世纪以来电液比例控制拄 术主要发展动向是4 ”1 ： 1 ) 小型化、集成化，将电予线路内置( 封装) 于阀或泵等中，亦 即将电子驱动线路和信号处理、储存等都直接安装在液压件的壳体内。过 去一些电器# 安装在液压件的壳体上，这些电器件与电控柜距离可能较 远，现在用以上方法可省去了它们之间的大量导线，省去很多电接头，这 不仅经济美观，更重要的是提高了可靠性。 ( 2 ) 数字化、智能化，采用数字式控制放大器，通过软件实现原来 由硬件实现的各种控制功能，使用灵活方便且成本低廉。抽入通信功能的 智能型元件可与p l c 或中心控制器进行实时通信，各液压件能根据自身特 一2 一 太藤理工夫学碳士研究生学位论文 殊的要求完成采集、处理、储存某些信号的功能。 ( 3 ) 多功能，一套装甓可啦完成多个功能。例如个电液比例阔控 制一执行件或泵时，哥以霹时控制挺移、遮疫、加速度、力 ，一y o 时，取消积分作用。在对这样种响 鹿益线进行分析时可以发现，在t l t 2 和怕一t 4 时闼段，被诱量的变化是 趋向于设定值的，如果这个时候通过判断适当减小p i o 控制参数值、降低 控制强度t 就可以减小振荡的幅度。而在t 2 一t 3 和t 4 - t 5 时间段，被调量 的设定值是远离设定值的，这酣变需要加大p i d 控制参鼗值，增强其控制 作用，以便更快地将被调量拉回到设定值，尽快达到平衡。 从这一思想出发，下一步就是分析p i d 控制参数与响应曲线变化之间 的关系，分析p i d 控制算法的增量算式( 4 3 ) ： a u ( k ) 2 k p 【口( 1 ) 一e ( k i ) 】+ k ( ) + k d p ( 女) 一2 e ( k 一1 ) e ( k 一2 ) 】 = k 。a e ( k ) + k ，p ( ) = 监j 舒e ( k ) ( 4 一1 3 ) 一3 9 奎堕望三查兰堡生堕塞圭堂丝堕兰 衰4 - 1 ：控玮作用与系统变化之褥的关系及控制项对控制增量的影响 控制项变化 被调置的期望的 策统状态 k j 岛k 。e ok e k变化趋势 控制作 e t ( e k i e - t较弱 逼近 ( a 氨 a e 。j强 远离。“ o ( a e t 0 )e h ( e ，i较强 e k e 州且( a e * 0 )不存在 e k 如1 e l较强 远离 ( a e k 良j较弱 e k 0 ) e k e t弱 ek 0 )逼近 较弱 a e k 8 k ： e l 。 00 远离较强 乳= 0 a e t o 极弱 e t - i = o e kz 0 列，被凋对盼变忧趋势与偏差的变 化趋势相同，l 1 a e 。 0 时则远离，而e 。 0 时，则逼近；当ek o 时逼近，两e 。 ，一加) 时 一4 l 一 太雁理工太学硬士研究生学位论文 依然采用积分分离方法，构成如图4 - ：3 所示的控制系统。 图4 - 3 参数模糊自整定控制系统框图 f i g4 - 3d i a g r a mo f c o n t r o lp a r a m e t e r sf u z z ys e l f - t u n ec o n t m ls y s t e m 4 2 2 参数模糊自整定p i b 算法系数调整 在控制过程中，对修正系数瓯、鼠和觑的调整可以按以下规则进行： 1 如果被控对象响应特性出现上升时间短，僵超调量大，应减小q ； 反之则加大q ，同时q 。和o 。保持不变。 2 如果系统黔跃响应出现多次芷弦衰减，应减小稚，同时q ：和如保 持不变。 3 如果被控对象上升时闯长，焉增大貔会导致超谓基过大，可适当 增大q p ，同时q 一和乱保持不变。 模糊参数自整定p i d 算法在系统响应过程中根据变化趋势实时调整控 制参数，与传统的p i d 控制算法相比，可加强控制的强度的精确度，从而 改善响应速度和稳定速度之间的关系，使被控量的响应特性和调节量的输 电特性都有明显的提高，从算法的差分方程可以看出。运黧过程十分篱便， 与常规p i d 控制算法相比，只增加了三个修正系数瓴、q 和乱的存储， 因此昝常适用于革片枫系统中构成现场智髓控e 嚣。 将控制精度更高、控制效果更好的先进智能控制算法应用到以单片机 为中心妁远程智能设备中。在实现控刮功能的纫底分教的同时提高控制器 一4 2 太琢理= i 大学硕士研究皇学位论文 械的控制水平，这已经成现场控制器的必然发展方向，本文所研究模糊参 数自整定p i d 控制算法，克服了多数智能算法对c p u 时间或存储空间的大 量需求，为现场智能控制器的算法设计提出7 一个可行的方案。 一4 3 太原理l ：丈学礤士研竞生学位径文 箔五章智能电液比例控制器设计 智能控制器是由硬件部分和软件部分组成，另外由于现场工作碗：境较 怒劣，为保证智能比例阀的可靠工作，在控制器的软硬件设计过程中还应 重点考虑系统的抗干扰问题。 5 1 餐熊按期器功麓模块划分 智能控制器软、硬件和抗二r 扰设计是一个不可分割的整体。有些情况 下。硬件的任务可以由软件完成，如滤波、校准等；而另外一些场合下， 如t 系统适时性强、响应恢豹场合，则用硬件代替软件来完成。一般来说 鹰硬停来完成任务，执行速度比较快，可以节省c p u 的大量时阃，但硬件 组成的系统比较复杂，两且价格比较责；用软件实现控制方案比较经济， 僵要占用更多的机器时闻，两虽也需要一定的硬件支持才行。对于智能控 制器设计中软、硬l 牛都有可以完成的交叉部分，我们在机器时间兔诲的情 况尽量地采用软件来完成，为获褥最佳的性能价格比，软、硬件的应用 配置比接近于i 。 整个智能控制器从功能上可分为七大模块( 见匿5 - i ) ，各模块功能 分述如下： 电源模块：为控制器的正常二l = 作据供电源，穆输入的d c 2 4 v 电源变换 或微处理嚣工作要求d c a v ，功率输出级要求豹d c 2 4 v 电压等。 c a n b u s 通信接口模块：双向数摄暹信的通道，控制嚣经此接口接收和 发送控制字与状态字。 一4 4 走原理工夫学硕士研究生学位论立 c a n b 嬲 晖哐 一 v i 。 图5 一i 控制器总体结构框图 f i 9 5 - it i l e g e n e r a ls t r t t c t l l r eo f c o m r o l l e r 前端数据处理模块：根据总线接口传采的控制字，生成控制器的输 信号，并进行耩坡、死区、增益等的设萋。 数懿聚集模块：采集阔芯位穆、输出压力等倍号，作为控制器反馈信 号，进行闭环控制。 p i d 调节器；采用数字式p i d 控制技术，薅节耀芯位移。 失效监测模块：对整个控制器的各部分功能进行监测，发现锚误，进 行故障报警或复经系统。 p w m 电流放大模块：对微处理器输出的p w m 信号进行功率放大，以驱 动比例电磁铁推动比例阔阀芯。 一4 5 太强蓬工丈学颈土研究生学位论史 5 。2 智能控制器硬件系统设计 智能控制器的硬件系统以徽处理器为核心，包括运算单元、存储单元、 现场总线接口、数据采集单元、功率放大单元等部分，系统的组织结构如 图5 2 ，各部分的设计分述如下。 图5 - 2 控制器硬件结构框露 f i g5 - 2t h eh a n d w a r es f u c l u r eo f c o n t r o l l e r 5 2 。1 数据遘算处理单元 目前数字控制技术一般基于微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e r ) 或数字信号处理器( d s p ) ，在比较了各自优缺点，考 一哇6 一 太原理工大学硕士研究生学位论文 虑到系统成本帮现掌握的开发技术，我们的系统中选用了程门子公司鲍 c 1 6 6 系列1 6 位嵌入式微控制器c 1 6 7 l m ( c 1 6 7 功能方框图见豳4 - 3 ) ，该 微控制器在2 0 m h z 的系统主频下( 晶振频率) ，所有的指令执行时间在8 0 n s 范围内：这是一种功能报强的微控制器，在芯片内集成了1 6 通道l o 位 a d ，多个定时器，c a n 控制器，p w m 输出口等，用于智能电液比例控 制器的中心控毒4 器具有步 部电路少，集成度高，体积小等优点可班方便 地将其植入电液比例阀的闷悻外壳内。 圈5 - 3c 1 6 7 琦能方框圄删 f i g5 - 3 c 1 6 7f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m 功能强大的c 1 6 7 几乎集成毒我们所需的全部功能模块，仅需极小量 的外围电路，为硬件系统的设计带来极大的方便，考虑到控制算法程序的 复杂性、软件功能模块扩展以及系统开发的方便，对存储空起我们用两片 k 6 t 1 0 0 9 c 2 e - g f 7 0 扩展了2 5 6 k bf l a s h 程序、数据存储器。这种芯片的 一4 7 太原理工大学碗士研究生等 位论文 优点是能在系统中进行在线修改，并在断电情况下保存数据。 c 1 6 7 控制器内含p 州口，通过对端口初始化会自动地发出跗m 控制信 号，不占用c p u 时间，只有控制算法要调整参数时c p u 才介入。内建的a d c 模块可用于反馈信号和状态监测信号的数据采集。集成的c a n 控制器可用 于总线通讯接口。 5 2 2 电源模块 屯源模块负责智能控制器中处理器单元、功率放大单元及转感器单元 的供电。一般工业现场的供电电压是d c 2 4 v ，智能控制器中处理器单元要 用到d c s v 电压，功率放大擎元要翔d c 2 4 v 电压。，传感嚣单元的要焉到 d c i5 v 电压，为此我们选用了具有两路以上输出电压的d c d c 电源转换 模块。 i 图5 - 4d c d c 电源原理图 f 瞻5 - 4 d c d cp o w e r t r a n s f o r mp r i n c i p l e 考虑到控制器要集成到阀内，系统各部分的体积都耍尽可能地小，电 源模块选择高度集成的d c d c 芯片，芯片内集成了电压基准、电容、电 压比较单元、肖特基二极管、开关管等。由于皂感难子集成，需要外围电 一4 8 太原理工太学硕士研究生学位论文 路配置，只需一薅个始部器件即可缝成d c o d c 单元。 经过选型和设计工作，我们m a x t 6 5 2 芯片产生双输出电压，分别为 数字电路5 v 的电压和模拟电路的电压，其中后者是可以调节的。电路如 图5 - 4 所示，输入电压先经过一令l c 滤波，然后逝入开关电源电路。辨 闱电路采用了两个n m o s 管，与采用p 沟道m o s 相比，具有性能更好， 选择余地更大以及价壤蠖宣的优点，d c d c 的第二个稔出豹电疆值是可调 的，通过一个电阻分压以后，反馈到d c d c 的s e c f b 输入端。i c 芯片 能兼顾两个赣出电压的培况调整开关信号。 5 2 。3 传麒器信号变换模块 阀芯位移、压力等信号经传感器变换后必须经放大、调理变成o 一5 v 标准电压信号才能由a d 转换接口采集到控带l 器中，豳5 - 5 为阀芯位移传 感器的信号调理电路。 霉5 - 5 位移传感器信号调理电路 f i g5 - 5s i g n a l t r a n s f o r mc i r c u i t o f p o s i t i o n r i t n s d u c 2 r 一4 9 查堡望三查望璧主2 1 壅圭塑丝塞 阀芯位移的溅量通过位移差动变压器( l v d t ) 来实现，图中s c h a e v i t z e 1 0 0l v d t 是一种线位移蔗动变压器，其输出电压的幅值与机械位移成线 性关系。根据作用原理，线位移传感器可分为电感式、电阻式、电容式和 压电晶体式，这里示出的是电感式线位移传感器。信号调节由a d 5 9 8 单片 式线位移差动变压器( l v d t ) 信号调节系统来完成。a i ) 5 9 8 将所有的电路功 能都集中在一块芯片上，只要增加几个， 接无源元件，就能确定激磁频率 和输出电压的幅值。在芯片内部，a d 5 9 8 将l v d t 处理的次级输出信号按比 例地转换成直流信号。a d 5 9 8 内部有一个厣来产生l v d t 韧缀激磁信号的低 失真正弦波振荡器厦其输出入大器和接收l v d t 次级输出的二个正弦信号 的输入级、除法器、滤波器及其输出入放大器。该信号调理电路具有线路 简单，成本低廉的特点。其输出电压信号经微控制嚣的a d 口采集到控制 器做为阀芯位移反馈信号输入p t d 控制器。 5 2 4 功率输出接口 由c 1 6 7 的p w m 口输出的p w m 信号不能直接驱动比例电磁铁，还需经 功率放大级的放大处理。针对计算桃输出的p 州信号，我们设计了带光电 隔离的p w m 功率放大电路( 见西弘6 ) 。 图5 6 中，i c 。为电压比较器，r 。为电流取样电阻，基准源z 与r r 。 组成限漉基准，功教管毛、l 工作在开关状态，可降低功率损耗。放大后 的脉冲信号在比例电磁铁线圈l 上可产生平均值与p w m 信号宽度成比例的， 带交流纹波分量的直流电流。”o ”。 一5 0 一 太原理王大学硕士研究生学位论文 一v 纛一划 l i 巩：【啦 嚣。碍六蒂 。n c i 岣乏一i c z 选。 图5 - 6 劝率放大电路原理豳 f i g5 - 6 t h ep r i n c i p l ed r a w i n go f p o w e ra m p l i f i e r c i r c u i t 由子电波比例阀的 e 傻电磁铁线圈是一铁芯媾抗元件， e 攮电磁铁的 线嘲和比例控制放大嚣的都有一定的内阻。为了提高比倒电磁铁的动态特 性，采用二二极管续流法，在电磁铁线圈的两端增加了续流二极管，可姒趟 除断开电磁铁断电时线圈产生的反电动势于抗，在电磁铁断电时以泄敖感 应电流，减少电动势，保护功率放大管“”“。 由微控制器输出的p w m 信号，经驱动电路放大，e e 例电磁铁的电感、淹 阻与二极管形成电流回路，利硐电磁铁的贮能特性来实现占空比与比例控 制f 流之间的转换，所以，采用銎4 8 鹩电路可以壹援将一定占空比的p 张 信号转换成赢流信号，在线圈上城可获得平均值与占空眈成比例的直流电 流。这种电路由于可以直接转换脉宽信号，省y d a 换电路，大大简 化了电路设计，特别适罔于微枫控制。 6 。3 智能控制器软件系统设i 十 在硬件电路确定戳后，控制嚣的主要功能将禳赖于软件泉实现，对翔 硬件电路配以不穗的软件，它所实现的功能电就不阔，丽且有些硬件也 一5 l 一 太掀理工太学顾士研究生学位硷文 路的功能也可以用软件采实现，智能控制器的设讨，主要是软件的搜计。 控制器软件系统的主要功能包括： 1 保证硬件正常工作，完成设计要求。 2 实现控制系统的控制规律。 3 完成系统各种控制功能。 4 完成系统运行状态和参数的总线数据传输。 5 使系统具有方便的调试功能。 在我们的设计中，软件系统采用了模块纯设计思想，主要由以f 模块 组成： 监控主程序模块 c a n 总线通讯予模块 前端数据处理模块 位移、压力数掇采集子模块 控制算法实现模块 p w m 信号输出模块 软件的设计采用c 语官、汇编语言实现，由于c 支持浮点运算，所以 在对各路数据进行枣卜偿处理时，其精度能够得到保证。以下是对主程序、 通讯子程序和控制算法程序的简要介绍。 5 3 1 监控主程序模块 篮控主程序完成控制器的初始化，各程序模块的调度等工作，其工作 流程如圈5 7 所示。进入监控时，控制器为无输出置的安全位置( 参见圈 2 4 ) ；出现错误由出错处理程序重新初始化后进入监控状态；状态字和控 制字由总线通信模块发送和接收；脏控程序根据总线命令字和初始设定启 一5 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 动某种控制模式的投毒4 算法，控制器为有效输出状态。启动控摹4 算法后 总线传输的过程命令值传入控制循环。 区自匡 主率睦 图s 一7 主程序结构 f i g5 - 7t h e $ i r t l g t t l r eo f m a i np r o g r a l l l 5 3 ，2c 州总线遂讯予模块 c a n 总线通信子模块由c a n 控弗4 器初始化程序、发送程序、接收程序 三部分组成，初始化程序主要是通过对c a n 控制器控制段中的寄存器写入 控制字，从而确定c a n 控制器的工作方式等。其步骤为： ( i ) 对c a n 控制寄存器t n i t 和c c e 位置位； ( 2 ) 配置位定时器以确定c a n 的通信速率； ( 3 ) 配置全域的屏蔽寄存器班确定滤波策略。 初始化程序在控制器上电复位时或系统出错后由软件复位时调用。信 息从c a n 控制嚣发送到c a n 总线是由c a n 控制嚣自动完成的。发送程序只 需把被发送的信息帧邀到c a n 的发送缓冲区，且启动发送命令即可。信息 一5 3 太原理二大学硪士研究生学位论立 从c a n 总线到c a n 接收缓冲区也是由c a n 控制器自动完成的。接收程序只 震从接收缓冲区读取要接收的信息即可。接收程序可采用赞询方式或中颤 方式，两者的繁简程度相当，本系统设计中采用查询方式工作。 5 3 3 控制算法实现模块 厂即 i、，一 捷置系数鼯琏、 q ，、 0 计冀蚧卧2 屯 0 i 乏 ，t s i g n c 岛) = + ii 匣 计蔫修正系数 ( tk ；、k 7 d ( a ) 算法总体结构( b ) 参数模糊自整定算法 翳4 - 9 控制算法程序站构 f i g4 - 9 t h es t r u c t u r eo f c o n t r o la r i t h m e t i cp r o g r a m 控制算法采用圉4 - 2 所示的参数模糊鸯整定p i d 算法。首先根撅偏差 一5 4 太原理t 太学坝士研究生学位论文 大小判断先用p d 控制还是参数模糊自整定p i d 算法，图5 - 8 为算法程序 框图。 5 4 智能控制器抗干扰技术 智能比例阀工作时，不可避免地会受到干扰的影响，这些干扰会妨碍 阀的诈常工作的控制精度，为了保证电液比例阀的可靠工作，在智能控制 器的电路、结构和软件设计、制造、安装和使用时必须周密考虑和解决抗 干扰问题。 5 4 1 智能控制器的主要干扰源及传输途径 产生干扰的原因十分复杂，对于智能控制器来说，主要可归纳为以下 几种情况“。 自然因素，如雷电等。 周围设备，如动力线路中的火花与电弧；电机启动、停止引起的 电网冲击；电磁场、静电干扰等。 元器件物理性质，如分布电容、热噪声、散粒噪声等。 结构设计不合理，如印刷板布线不合理、元器什位置布置不当等。 这些干扰大多以电磁能量的形式起作用，电磁能量窜入控制器的途径 有以下几种。 静电耦合干扰。由于导线之间、元件之间、导线或元件与结构之 间都存在分布电容，干扰信号通过分布电容可窜入控制器内。 电磁耦合干扰。通过电路之间的互感耦合，如动力线、变压器、 电动机等附近存在5 0 h z 工频交变磁场，可对控制器回路造成很严重的十 一5 5 太原理工大学硬士研究生学位论文 扰。静电耦台干扰和电磁耦合干扰经常同时存在。如导线之间的互感m 。 电磁辐射干扰。闪电、无线广播通信、电动设备、开关开成的电 火花等。 公共阻抗耦合干扰。 直接传输干抗。经电源线、信号输入输出接口宜按；l 入的干抚。 5 42 硬件抗干扰技术 抗于扰的具体措旌主要从硬件、软件两方蕊进行。在智能控制器中采 用的碗件抗干扰有以下几种。 硬件滤波电路 针对干扰位号的串模干扰采用了低通、高通、带通和带阻等不弼类型 的滤波器来抑制干扰。 遂信电缆选用双绞线 带屏蔽层的双绞线，可从根本上消除串模干扰。 数字通信 智能控制器采用基于现场总线的数字信号通信代替传统的电压或电流 信号，获得较强的抗于扰能力。 隔离法 在输入、输出通道上，采用光电耦合器，阻断现场干扰窜入的途径， 具有 # 常好的电磁隔离效果，同时光电耦合器是能量型传输器件，具有较 好的抗电磁感应干扰的能力因为一般感应干扰尽管幅值很高，但能量根 ，j 、，通常不可能意外地驱动耦合嚣工作。 电源抗干扰 控制器采用2 4 v 直流供电。内部设置d c d c 转换，抗干扰能力强。 一5 6 太原理工太学硕士谢究生学位论文 接地技术应用 设计时功率地和信号地分别设置，模拟地和数安地分开布线，对于数 字电路的接地采用幅射网状结构，尽量减少分布电容。 合理设计线路板、配置去耦电窑 5 4 3 软件抗干携技术 为傈证控制器内微处理嚣系统的程序正常运行，智能控制器还考虑了 软件干扰技术提高控制器自身的抵御能力。主要应用的按术包括以下几 个方面。 反镄逢道中约实时数瓣采集，栗刚数字滤波的方法以消除传感器通 道中的干扰信号。 设置软件陷阱，搏挺“踺飞”的程乎。 设最“看门狗”，防止“死循环”。 一5 7 盘原理工大学硕士研究生学位论立 第六章初步实验研究与课题总结 对我们设计的智能比例阀控制器在实验室进行了初步的实验研究，试 验内容包括现场总线通讯试验、现场数据采集和功率输出接1 3 试验，验证 了设计的f 确性。 6 ，1 智能控器的实骏塞研究 6 1 1 慧线通讯接口实验 正确的总线通信是镭能润正常工作舵基础，在实验室我们组建了用于 智能阀控制器崎上位p c 机的c a n 总线通信实验系统。系统构成见图6 - 1 。 圈6 - 1c a n b ? 5 宴验系统结构 f i g6 - 1 s t r u c t u r eo f t h ec a n - b u sc o m m u n i c a t i o n 液压系统中数据传输的距离“般不大，实验室中c a n 总线上砖个节点 的距离为2 0 m ，我们主要对数据传输的正确性和传输速度进行了测试。我 一5 8 太琢理工大学颤士研究生学位论文 们试验了采用3 0 0 k b it s ，5 0 0 k b i t s ，8 0 0 9 b i t s 三种波特率传输同步信 号( s y n c ) 和2 - 8 字节的输入数据，从发送数据到确认数据发送成功一个 工作循环用时见表6 - 1 。 袭6 1 不同波特率下数据传雅时润 两字节数据八字节数据 波特率8 0 0 k b it s9 6hm1 4 0 um 波特率5 0 0 k b it s1 7 2um2 6 0 m 波特率3 0 0 k b i t s3 1 0 u m4 8 0 p m 从表中可以看出，数据经c a n 总线的传输速度是非常快的，即使实际 应用系统中，总线上有多个c a n 节点，考虑到总线负荷引起的数据传输延 迟，将智能润控制器用于闭环控制，也是可以满足o 5 m s 一2 m s 一个工作 循环的要求。达到了m o o g 公司的高性能比例伺服阀总线通信接口的相应 参数。3 。 6 1 。2 渊m 功率驱动单元测试 为确定智能比例阀控制器p w m 信号的周期及占空比与通过电磁铁线 圈电流的关系，我们对控制器功率驱动单元进行了实验研究。智能比例阀 的电机械转换器选用榆液集团安阳机床电器有限责任公司( 原安阳机床电 器厂) g 系列比例电磁铁g p 4 5 - 4 - a 。出控制器软件产生1 5 0 h z ，2 5 0 h z ，5 0 0 h z ， l k h z 四种频率的p w m 信号，每个频率中对占空比为2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、 6 0 、7 0 、8 0 、9 0 各点的线圈电流输出进行测量。 实验数据显示电磁铁图电流与p w m 方波的占空比基本成线性关系，与 p 嘲周期关系不大，返与理论分析结果一致。因为p w m 周翔越小 频率越 高) ，线圈中的电流纹波幅度越小，但开关频率的提高受到一定的限制， 一5 9 一 太原理工大学硬士研究生学位论文 当开关频率太高，以至于功敖管的开关过度过程时间占开关分量的显著分 量时，功放管的动态功耗较大，有悖于开关式功率放大级功耗低特有的优 势，所咀控制器设计时采用2 5 0 1 _ l z 的p w m 输出。图6 2 给出p w m 频率为2 5 0 h z 时，占空比与电磁铁线圈中通过电流的关系曲线，实验结果为控制器软件 的进一步设计提供了相关数据。 酉6 - 2占空毙与输出电流的荧系曲线 f i g6 - 2 t h er e l a t i o n s h i po fda n dc t t i t e n t 6 2 课题总结及进一步研究内容 本课题在研究了一种基于现场总线的智能化比例闷，已完成的主要工 作包括： i 智能阔的概念提出及其功能目标的探讨，建立了智能阀的工作摸 一6 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 型。 2 分析了常用现场总线的应用领域，选用c a k b c s 总线为智能阀总 线接i z l ，剥c a n o p e n 应用层协议及液压比例阀设备协议进行了研 究。 3 提出了一种适用于单片机系统中运行的简化智能算法一参数模 糊自整定p i d 算法。 4 设计了可嵌入式的智能比例阀控制器软、硬件。 5 通过实验室组建c a n b u s 网络、测试系统，对已完成的工作进行 了初步实验验证。 本课题还有很大的继续研究空间，主要归纳如下： 1 还有不完善的功能设计，如没有进行智能阀的人机接口设计，对 于阀参数的设定应建立图形化的人机接口，最大限度地方便用 户。 2 需进行完整的阀性能试验研究，目前只是功能实现，没有进行综 合对比研究，特别是通过总线传输过程数据实时性能否达到要 求，与相关产品的比较等。 3 实验室只实现了两个节点的最小化c a n b u s 网络，工业现场拥有 大量节点，多节点开放式系统的实时控制、数据传输策略等有等 进一步研究。 4 智能阀的总线通信功能为现场设备的故障跨断、远程维护等提供 了底层实时数据支持，使其成为可能，基于现场总线的多层网络 集成、故障诊断和监测是值得研究的一个方向。 6 l 一 太原理工大学砸士研究生学位论文 6 3 智能比例阀应用前景 电液比例阀中现场总线技术和数字电子技术的结合应用为进一步的 技术改革创新提供了一个平台。现场总线提供的通信功能改变了电液比例 阀工作单元信息独岛的现状，使用嵌入微处理器，数字控制技术得以应用， 原来由外部控制系统实现的一些功能现在都可以在比例阀内实现。这种电 子和液压技术的紧密结合具有相当大的优势： 外部控制系统、阀与控制系统间的连线将被节省 阔工作过程数据被监控、通过总线传入上位机记录 组建控制系统将更加容易，可实现“即插即用” 为系统的故障诊断提供数据支持 嵌入微处理器以及现场总线接i j 使摹本比例阀上升为一个“智能”设 备，一个比例阀就可承担电液系统中一个执行器的完整控制任务，成为一 个“轴控制阀”，还包含与上位机的数据通信等功能。 我们设计的新型比例阀保留了传统比例阀中成熟的机械结构，在传统 阀中加入附加的嵌入式控制板即可方便地升级为智能阀，这样对现有阀单 元只是进行改造而不是完全替代，从经济角度看更具有可行性。从技术角 度分析，电液比例阀现场总线协议标准已趋完善，保证数据可靠而迅捷传 输不存在任何问题，而且代价会逐步降低。 自动控制技术的飞速发展，特别现场总线的广泛应用，未来的液压技 术必将发生巨大的改变。基于现场总线的智能化液压比例阀在分散控制、 在线故障诊断、控制器联网等方面独特优势使其具有非常诱人的应用6 h 景，值得关注和进一步深入研究。 一6 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 参考文献 1 顾红军等，工业企业网与现场总线技术及应用，北京，人民邮电出版社，2 0 0 2 2 阳宪惠，现场总线技术及其戍削，北京，清华大学山版社1 9 9 9 3 吴根茂，邱敏秀，王庆丰，实用电液比例技术，杭州浙江大学出版社，1 9 9 3 4 路甬祥，胡大宏电液比例控制技术，北京，机槭t 业出版社，1 9 8 8 5 梁启柚，电液比例控制与数字控制，北京，机械工业出版社，1 9 9 7 6 史维祥，流体传动及控制的现状及新发展，流体传动与控制，2 0 0 3 ，n o 1 ，1 - 0 7 杨尔庄窦文兰，2 0 0 2 亚洲国际动力传动与控制技术展览会评述，液压气动与 密封，2 0 0 3 ，n o 1 ，1 - 4 8 黄卉，程顺，电液比例技术发展趋势徽探，机床与液压，2 0 0 2 ，n ol ，34 9 王意，流体技术和电子技术的结合与竞争，液压气动与密封，1 9 9 9 ，n o 1 。卜4 1 0 李伟波，现场总线技术及其在液压系统中的应用，液压与气动2 0 0 1n o3 1 l 吴宏民，气动系统省配线及总线控制技术，机床与液压，2 0 0 2n o 11 6 3 1 6 5 1 2 邬宽明，现场总线技术应用选编( 上) ，北京，北京航空航天大学出版社，2 0 0 3 1 3i n t e r n a t i o n a l p l a s t i c s i l e w sf o r c h i n a ，h t t p ：n e w s f p dn e t n e w m a c h i n e 2 0 0 00 1 r h t m 1 4 张业建，数字式电液伺服系统控制策略和通信技术研究，博士学位论文，哈尔 滨工业人学，2 0 0 0 1 5 崔民，机器人化遥控铲掘机现场c a r l 总线控制系统研究，机床与液压，2 0 0 2