（生物医学工程专业论文）高能效智能型比例控制器的设计.pdf

a b s t r a c t p r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e r i st h ec o r eo fe 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 n t r o ls y s t e m ，t h e m o d e me 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 n t r o l l e ri n c l u d e sp w mt y p e p r o p o r t i o n a la m p l i f i e r , i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r , f i e l db u si n t e r f a c e e t c ，i no r d e rt oi n t e g r a t ew i t ht h ep r o p o r t i o n a lv a l v e s ，i t s h o u l db em i n i a t u r ea n dh i g h e n e r g ye f f i c i e n c y , t h e r ei sab i gg a pb e t w e e nd o m e s t i cc o n t r o l l e r d e s i g na n do v e r s e a s ，i np a r t i c u l a r , t h el a c ko fh i g h - e n e r g ye f f i c i e n c yd e s i g n , t h ee n e r g y c o n s u m p t i o no fd o m e s t i cp r o p o r t i o n a lt h ec o n t r o l l e ri sh i g h e r t h i st o p i ch a sd e s i g n e da ne n e r g y e f f i c i e n ti n t e l l i g e n tp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e r , i t sf e a t u r e s ： s m a l lc i r c u i t s ，c a nb ei n t e g r a t e d 埘t 1 1t h ep r o p o r t i o n a lv a l v e ；h e a tp o w e rc o n s u m p t i o ni sl o w , m g he n e r g ye f f i c i e n c y ；w i t hc a n b u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c a ni n t e r a c t 、衍mt h eh o s tc o m p u t e r ；b ea b l et oa u t o m a t i c a l l ya d ju s tt h ec o n t r o lp a r a m e t e r s e n e r g y e f f i c i e n ta n di n t e l l i g e n to ft h et w om a j o rh i g h l i g h t so ft h i sc o n t r o l l e r t h i sr e s e a r c hw o r k i n c l u d e s ： 1s e l e c t i o no fh i g h l yi n t e g r a t e ds o cc h i pc 8 0 51f 0 4 0a sp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e rc o n t r o l m o d u l e ，w h i l ei c sl 6 5 0 6d i r e c t l yr e s u l t i n gp w m ，s i m p l i f y i n gt h ec i r c u i td e s i g n , t h es i z ei s 81 移9 2 2lm m ，i tc a r lb ei n t e g r a t e d 晰t ht h ep r o p o r t i o n a lv a l v e 2d e s i g nh a r d w a r es y s t e m ：p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，s i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，d i g i t a l p r o c e s s i n gu n i t ，p w m - t y p ep o w e rd r i v e rc i r c u i t ，t h eo u t p u tc u r r e n ti ss t a b l e ，c u r r e n ta n dc o n t r o l v o l t a g ei sal i n e a rr e l a t i o n , o u t p u t c u r r e n t p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e i ss t a b l ea n dh a ss m a l l h y s t e r e s i s ，w h e nt h ec o n t r o lv o l t a g eu o 0 3 vt h eo u t p u te f f i c i e n c yi sm o r et h a n7 0 ，i t s a d v a n t a g ei sh i g he n e r g ye f f i c i e n c y 3d e v e l o ps o f t w a r es y s t e m ，i n c l u d i n gc a nb u sc o m m u n i c a t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，o u t p u t a d j u s t m e n tf u n c t i o nm o d u l e s ，s ot h a tp r o p o r t i o n a lc o n t r o lc a nc a r r yo u ti n t e l l i g e n tc l o s e d - l o o p c o n t r o l ，s o f t w a r ec a nf i n i s hf l u t t e r , s l o p ec o n t r o l ，t h ei n i t i a ls i g n a lf u n c t i o n d e s i g n e dp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e rh a sb e e na p p l i e di nr e s e a r c hp r o j e c t s ，a n da c c e p t e db yt h e r e l e v a n td e p a r t m e n t 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 lc o n t r o ls y s t e mb e c o m em o r ec o m p l e x ， 1 1 i g he n e r g y - e f f i c i e n t ，i n t e l l i g e n t ，m i n i a t u r i z e dp r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e rw i l lb e c o m el a r g e s c a l e a p p l i c a t i o n i i k e y w o r d s ：h i 曲e e r ( e n e r g ye f f i c i e n c yr a t i o ) ，c a n b u s ，p w m ，s t a b i l i z e dc u r r e n t ，i n t e l l i g e n t c o n t r o l ，p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，s m a l ls i z e i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得盘鋈盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：卸准签字日期。年专月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名与；难 签字日期：力c 口年三月7 日 导师签名： 签字日期： 丫o “, - t 2 0 月9 日 年歹月f ) 日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 伴随着微电子、计算机、控制、通信和液压传动技术的发展和成熟，低能耗、数字化、 网络化、分布式控制已成为现代液压控制的研究热点，电液比例控制系统作为一项广泛应 用的液压控制装置，必然要顺应这一发展潮流，开发各种高性能、数字化、高能效、适合 网络通信的新型元件和实现方案。 1 1 电液比例控制技术的产生与发展 电液比例控制技术始于民用工程的需求而发展起来，时至今日，机电一体化的进程对 比例控制技术提出了更多的需求，而现代信息技术和控制理论的发展也为电液控制技术注 入了新的动力。 传统的电液伺服阀虽然在响应性和控制精度上能满足工业控制要求，但由于高成本、 维护费用高、系统能耗高，加上其对流体介质清洁度要求苛刻，不能满足工业控制低成本、 易维护、低能耗的要求，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、控制精度和响应特性均能满足工程技术需要 的电液控制技术的要求，从2 0 世纪6 0 年代末迅速发展起来的【2 】1 3 1 。 1 9 7 5 1 9 8 0 年，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例 放大器技术上也日趋成熟，工作频宽5 1 5 h z ，稳态滞环减小到3 ，可用于开环、闭环控 制。2 0 世纪7 0 年代后期比例变量泵和比例执行器件的相继出现，为大功率系统的节能奠定 了技术基础。 到了2 0 世纪8 0 年代，电液比例技术快速发展：由于采用了更加完善的压力、流量、 动压反馈、位移反馈和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限，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己和伺服阀相当，阀 的稳态精度、动态响应和稳定性有了进一步提高，而工作频宽( 3 2 5 h z ) 又具有足以满足 大部分工业系统控制要求的相当水平，在对介质过滤精度要求( 过滤要求：比例阀约2 5 u m ， 伺服阀1 - 5 u r n ) ，阀内压力损失和价格方面，低于伺服阀，颇具竞争力。 1 9 9 0 年至今，电液比例技术进一步完善：推出了新型的比例伺服阀( 又称高性能电液 比例方向阀，闭环比例阀，高频响比例阀) ，其功率级阀芯采用伺服阀的结构和加工工艺， 解决了闭环控制下死区的问题，它的性能和价格介于伺服阀和普通比例阀之间，特别适用 于各种工业闭环控制，目前这种比例伺服阀到得大规模的应用。另外信息技术和控制理论 的发展大大影响电液比例控制技术，电液比例控制技术发展到新的高度【2 1 1 5 1 ： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 体积小型化、集成化一体化设计：由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感 器、测量放大器、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 比例控制系统中，将电子线路内置( 封装) 于阀或泵等中，减少了导线和插装，整体上看简 洁，对使用者要求更低，系统可靠性更高。 ( 2 ) 数字化、智能化：采用数字芯片和微处理器，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。加入通信功能的智能型节点可与其他节点或中心 控制器进行实时通信，各节点的液压件能根据自身特殊的要求完成采集、处理、储存某些 信号的功能，可由中央控制站完成现场控制：对全系统实行监测监控和故障诊断。 ( 3 ) 多功能化：例如一个电液比例阀控制一执行件或泵时，可以同时控制位移、速度、 加速度、力( 或压力) ，仅取决于系统采用不同的传感器，反馈量和控制算法，或者取决于 电子线路的切换。 1 2 电液比例控制系统构成和特点 在电液比例系统中，比例控制器是用来对比例电磁铁提供特定性能电流，比例电磁铁 将电流转化为阀芯位移或推力，去驱动比例阀或比例泵来推动液压执行元件的做功，下面 是电液比例控制系统框图【4 1 ： 图1 1 电液比例控制系统框图 电液比例控制器用来产生控制电流，对整个电液比例控制系统进行开环或闭环控制， 是电液比例控制系统的核心控制部件。比例控制器由编程器、比例放大器、供电电路三部 分组成，其中编程器用于编程控制比例系统运行的指令，比例放大器则是将编程器输入的 控制信号与系统中电气反馈信号比较运算后进行功率放大，输出所需要的电流。 电液比例控制系统既有液压传递功率大、响应快的优势，又可以进行电气处理和数 字运算、并且可以对被控液压参数进行电气遥控和无级转换，这样的比例控制系统自动参 浙江大学硕士学位论文 与各种控制过程，整个液压系统的自动化水平得以大大提高【4 j 【5 】【6 1 ，而发挥这些技术优势在 很大程度上依赖于比例控制器： 同磊碓4 赢阖 j i - 一j = = = = = = - = = 生一一j = = z = = = = 一一一一一一一一一一一一一一一一j 图1 2 比例控制器电控原理框图 比例控制器包括信号发生电路、信号处理电路、颤振电路、功率驱动电路、反馈检测 电路、控制逻辑电路等基本单元，具体的作用有： ( 1 ) 信号处理电路和反馈检测电路对输入信号进行相应的处理，以适应各种不同的控制 对象和工况的要求。 ( 2 ) 颤振电路将降低比例电磁铁的摩擦滞环，以及提供颤振分量和幅度可独立调节的控 制电路。 ( 3 ) 校正电路属于电反馈比例控制器的一个主要组成单元，其作用是改善电反馈闭环控 制比例阀或系统的静、动态品质，对干扰起抑制作用，使动态特性得到提高。目前这部分 功能大都由微处理器的软件运算来完成。 ( 4 ) 功率驱动电路是比例控制器重要的部分，决定了比例控制器输出性能，也是系统 热损耗的主要部分。功率驱动电路将前面电信号转换为所需电流，为克服比例电磁铁线圈 电感反电动势对频宽的影响，现在多采用带深度电流负反馈的恒流源作为功率驱动电路。 另外控制电路和编程器完成比例控制器的逻辑控制功能，目前微处理器技术的发展， 使得编程器完成越来越多的自动控制的功能。 电液比例控制系统最大特点是输出的流量或压力连续成比例的受到控制【3 】，所以与伺 服控制和开关控制相比有许多独特的优点：结合上小节电液比例控制系统的产生和发展， 我们可看出比例控制与伺服控制相比，其优点是价廉、抗污染能力强，但现阶段的电液比 例控制在控制精度和响应快速性方面已经和伺服控制相当，其动、静态性能足以满足大多 数工业应用要求。另一方面，同传统的开关型液压控制比较，电液比例控制系统虽价格较 浙江大学硕士学位论文 贵，但由于比例控制有良好的控制水平，而且在控制较复杂，特别是要求高质量控制水平 的地方，传统开关型液压控制就逐渐被比例控制代替。此外，电液比例控制还可以具有流 量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能，这使得比例控制系统较之开关阀控制系统， 不但控制性能得以提高，而且使系统更为简化【4 】【6 1 。所以电液比例控制系统凭借其高安全 性、高可靠性、价格低廉、较高控制精度等多方面优点，现已广泛用于工业传动与控制、 工程机械、楼宇建筑、仪器仪表等领域。 表1 1 电液比例控制和开关型液压控制、伺服控制的特性比较 开关阀比例阀伺服阀 特性 介质过滤精度( u m ) 2 52 55 阀内压力损失o 5 以下 0 5 27 m p a 控制功率( w ) 1 5 4 01 0 2 50 0 5 5 频宽( h z ) 1 0 以下1 0 1 0 01 0 0 5 0 0 滞环( ) 3o 1 0 5 重复精度( ) o 5 1o 5 1 温度漂移( ) 5 82 3 中位死区有有理论上无 应用场合开环控制开环或闭环闭环控制 控制 而比例控制器直接影响到电液比例控制系统的控制性能和自动化水平，所以我们对比 例控制器做了重点研究。 1 3 国内外研究现状 由于信息技术和控制技术的推动，目前电液比例控制系统已有了全新的发展，其最大 的创新点是国内外一些机构已研究出各种数字式智能阀，将智能控制器与比例阀一体化设 计，并且具有现场总线通信接1 ：2 ，这些设计的新型智能阀能接入现场总线管理系统，大大 提升了智能阀的性能。 目前智能型电液比例控制系统大都采用现场总线管理系统吲：智能控制器和其他智能 单元作为现场设备，用一对双绞线连接多个现场设备，形成总线式的分布式结构，改变了 传统控制系统中设备一对一的连接方式，简化了系统的结构。所以现场智能仪表集检测、 转换、计算、控制、通讯等功能于一体，这些智能仪表有共同的通信协议，而目前适用于 流体动力元件的设备协议，广泛采用的是由德国机械设备制造商协会( v d m a ) 组织制定的， 后来移交c i a 组织成为c i a ，c a n o p e n 协议中的关于液压比例阀、泵的设备协议d s p 4 0 8 【7 】【9 1 【1 0 j 【1 1 1 ，国际各大液压公司的高性能比例、伺服阀的通信协议大多支持该协议。其中有代表 4 折大学l 学位论z 性的产品有： ( 1 ) 博世一力士乐公司研制的集成o b e ( d i g i to n b o a r de l e c t r o n i c s ) 智能电子控制器的智 能比例闽，是典型的机电一体化产品。下图是一款b o s c h r e x r o t h 的g 能型比例溢流闽1 12 1 ， 型号是d b e t e - 6 x 。 图13b o s c h r e x m t h 智能型比例溢流阀外观图【】2 图中左上部分是电控单元，下面是阎体部分，其智能电控单元可通过c a n o p e n 总线接口， 可以实现阀与上位计算机以及其它智能单元( 智能传感器或执行器) 的通信，控制器内的微 型计算机能实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、练台自动化等多项功能。 ( 2 1 意大利a t 0 s 公司研制了z o s 数字比例阎m ，集成数字电控单元，可开环、闭环控 制，为用户提供了多种现场总接口，包括r s 2 3 2 ，c a n o p c n ，p r o f b u s d p 等。该数字阀 功能强大：可调整液压参数，如死区、增益斜坡等，均可由人工操作终端来设定；具有 直接和标准传感器相接的接o ；还具有较好的动态性能：滞环小、响应时问短和线性好等； 非线性补偿，动态响应调制和故障诊断功能( 如警告、监视】。 本课题主要研究比捌控制器，所以我们对国内外智能比例控制器作了重点调研：目前 国外在智能比倒控制器的研制上发展到多功能化、具有现场总线通信能力及具有复杂智能 运算能力等。如s a u e r d a n f o s s 公司智能控制器m c 0 2 4 - 0 1 0 0 0 0 0 p l u s l 控制器i ”】i ”1 ( 以下简 称m c 0 2 4 控制器) ，m c 0 2 4 控制器采用s a u e r - d a n f o s s 公司p l u s1g u i d e ( 图形化用户集成开发 环境) 编写应用程序，万便了用户的开发；内部集成1 6 位定，自, d s p ，频率1 5 0 m h z ，1 2 b i t a d 采样精度；1 4 个用户可自定义输入口，可输入数字量、模拟量、频率量等，4 个输出口， 可定义3 种输出方式，数字输出、p w m 输出、模拟电压输出，集成一个c a n 2 0 b 接口。工 作温度：_ 4 0 7 0 c ，防护等级i p6 7 ，e m i r f i ：i o o v m ，振动：i e c6 0 0 6 8 2 6 4 ，冲击： i e c6 0 0 6 8 - 2 - 2 7 t e s t e a ，能适应各种恶劣工作环境。 e p e e 2 0 3 8 控制器是e p e c 公司最近新推出的多功能智能控制嚣6 i ，带高性能的嵌入式 系统，集成主额达4 0 m b z 的1 6 位微控制器，能完成复杂的运算和控制，程序时钟( p l c 浙江大学顾十学位论女 扫描剧朔) 1 0 m s ；有2 0 个输入输出引脚，可完成多路比例控制、还能实现开关控制、反馈 检测及闭环运算控制等其他多种功能，各端口有高压、过载保护和短路保护；电压范围广 ( 1 0 v 3 0 v d e ) ，工作温度一4 0 + 7 0 c ；防护等级i p 6 7 ，适台恶劣应用环境；集成了 c a n 20 b 和c a n o p e n ：在2 4 v d e 空载时功耗仅18 w ，尺寸为1 4 7 x 6 3 x s 3 1 1 1 1 1 2 ： 图14e p e e 2 0 3 8 智能控制器外观图i ” 目前国内研制出成熟的一体化智能电液比例阀还很少，从事这方面的研究有：浙江大 学流体传动与控制研究所的王宇研究了基于c e b u s 的智能双向二线阀t lt i 。该阀以2 2 0 v 电 力线为通信载体，可在单个阀单元节点上把温度、压力流量传感器等信号汇集到阀内智 能处理器中，再逼过c e b u s 总线实现双向数据传输，而且该系统可以通过专门的转换器和 其它类型的现场总线联网，系统电源可直接来自2 2 0 v 电j 7 线，该一体化智能阀可直接驱动 大功率液压装置。但是果用电力线作通信载体的主要缺点是抗干扰电路复杂，通信传输误 码率高，通信方案实现较复杂。 但是国内目前在智能阀的电控单元上做得开发较多：如湖南大学的黎职富等设计一种 基于微处理器和c a n o p e i l 现场总线技术的工程机械新型电液比例控制器”l ，具有电流在线 栓剥和闭环控制功能，实现了基于c a n o p e n 接口的远程参数设置、程序下载和信息反馈， 具有结构简单、调试方便、便于网络集成等优点。太原理工大学的刘志奇开发了一款基于 现场总线曲电液比例控制器”】，对比例控制器的现场总线通信技术、单片机p i d 算法、抗 干扰技术都做了重点研究，并设计了一款智能控制器，只做了简单的实验测试，其智能控 制器的稳定性和功耗性能还得进一步的研究。杭州励贝电液科技有限公司开发了多种数字 式 匕例放大器”，有板卡样式、集成样式，盒式样式，其中集成式比例放大器可与相应的 力士乐哈威公司的比例控制阀集成一体化设计，如r t 一3 0 1 3 3 0 1 4 型号的电例放大器i ”， 适用于控制力士乐w r a 6 和w r a l 0 型比例方向闽等，c p u 采用的3 2 位处理器，可运行 智能控制算法，带有阶跃信号发生器、斜坡信号发生器，带多路输入和2 个p w m 输出端口， 有错误报警，电源保护等功能，但是没有总线接1 7 1 ，不能用于现场总线自动控制。 浙大学硕学位论文 上海派芬科技有限公司借助芬兰e p e c 公司的技术能力，开发了高性能的国产智能控 制器，代表性产品有t i c 1 0 0 控制器m l ，内部集成了3 2 位微处理器m p c 5 5 5 ，有1 6 0 k b 用户 编程空间，供电电压9 3 2 v d c ，达莹j s l l 2 ( 安全完整性水平) 的要求，能在恶劣环境下工 作，为用户提供了多种通信接1 3 ：2 个c a n 2 0 b 、1 个r s 2 3 2 、1 个l i n 。带自定义的模拟量， 数字量、频率计数等输入模块，带数字量输出大电流输出和p w m 输出等，可完成多种 机电控制功能。但是这款智能控制器的缺点是功耗较大，在空载时，消耗功率达9 w ，大 部分转成了热损耗，而且尺寸较大，为2 3 8 2 1 8 0 妇8 r a m ： 图15t t c l 0 0 智能控制器外观图呻i 1 4 主要研究内容和意义 鉴于目前国外各大公司开发的比例控制器不仅在智能化技术、现场总线控制技术上发 展得很成熟，而且具有高能效比、抗干扰能力强等优点，而我们国内比例控制器的设计能 兼顾到智能化技术、现场总线控制技术、高能效比、抗干扰能力各方面还不多，特别是高 能效比的设计缺少，使得比例控制器的能耗较高。结合实验室的研究项目，我们提出了这 个研究课题，本课题研究意义主要体现在阻下几点： ( 1 ) 目前工业现场使用的集成一体化智能闽( 即智能控制器和比例闯一体化) 大部分 来自国外，在国内，这方面的研究设计还不是很多，产品的市场占有率也很低，所以本课 题的开展，有利于提高国内机电一体化产品的设计，对于推动集成式比例控制器的国产化 具有重要意义。 ( 2 ) 高能效的控制方案也是目前机电液一体化产品的研究发展趋势设计发热功耗低 的比例阀控制器，使控制器能趋节能对社会意义较大，而且控制器发热低，升温少，可大 大扩展控制器工作温度范围，进而提高产品复杂的应用环境适应性，具有较强的使用价值。 ( 3 ) 现场总线技术的采用可保证并提高整体系统的运行可靠性、减少保养维护的费用、 减轻操作及维护人员的劳动强度，智能现场工作单元采集的数据还可以为系统的故障诊断 浙江大学硕上学位论文 提供支持，现场总线通信技术使比例控制器有较强的工程意义。 本课题研究内容包括智能型比例控制器工作机理、现场总线通信技术、软硬件系统设 计、系统调试和实验等一整套过程，其中比例控制器的现场总线通信技术和软硬件系统设 计是研究重点，后面章节将从以下几个问题来进行研究和探讨： ( 1 ) 智能型比例控制器的工作模型的提出 针对传统比例控制器存在的弊端，并参照g n s a r i d i s 定义的智能控制系统，提出了智 能型比例控制器的工作模型，以便适应复杂的应用环境，还列出了本课题设计的主要技术 指标。 ( 2 ) 现场总线协议和通信策略的选择 分析和比较了f f b u s ，p r o f i b u s ，l o n w o r k s ，c a n 四种现场总线协议，根据现场比例 控制器的工作情况及技术要求，我们提出基于c a n 总线的通信策略，作为本课题的现场 孽线协议。 ( 3 ) 硬件系统的设计 围绕核心模块微控制器c 8 0 5 1 f 0 4 0 ，设计了存储单元电路、c a n 总线接口电路、电 源模块电路，根据斩波稳流原理，设计了基于p w m 控制芯片l 6 5 0 6 的低功耗的功率驱动 电路，并且由c 8 0 5 1 f 0 4 0 的d a c 0 模块控制输出，还给出了设计的硬件系统实物图。 ( 4 ) 软件系统的设计 在分析了软件系统所要实现功能的基础上，先介绍软件整体结构，对软件子模块一一 进行介绍：系统初始化、数据采集模块、c a n 通信程序模块、运算控制模块、输出调节 模块5 个模块。 ( 5 ) 系统调试和实验研究 在电液比例试验台架上做了电机液的联合调试，分析了比例控制器的输出电流，在比 例阀的静态试验中，分别做了无颤振和带颤振的输出电流液压的测试，得出了合适的颤 振参数，并使比例控制系统的输出电流压力特性曲线稳定性好、滞环小。然后介绍了比 例控制器能效测试情况，分析了比例控制器的有效功率效率，还作了c a n 总线通信测试。 浙江大学硕士学位论文 第2 章智能型比例控制器工作原理 2 1 智能控制系统 随着人类科技的不断发展，受控对象越来越复杂，自动化技术从开环控制、闭环控制、 最优控制、随机控制、自适应控制和学习控制，发展到目前的研究热点智能控制【2 1 1 。目前 智能控制技术也在电液比例控制系统中得到广泛应用。 智能控匍 ( i n t e l l i g e n tc o n t r o l - - i c ) 是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级 阶段，主要用来解决那些用于传统方法难以解决的复杂系统的控制，其中包括智能机器人 系统、大规模集成化制造系统、智能交通运算系统等【2 2 】。 按照g n s a r i d i s 的定义【2 1 】【2 2 】，通过驱动自主智能机来实现其目标而无需操作人员参与 的系统称为智能控制系统。其典型的原理框图如图所示：其中，“广义对象咆括通常意义 下的控制对象和外部环境。 图2 1 智能控制系统原理框图 如智能机器人系统中，机器人手臂、被操作物体及所处环境称为广义对象。“传感器” 包括关节位置传感器、力传感器、触觉传感器、视觉传感器等。“感知信息处理”将传感器 得到的原始信息加以处理，例如，视觉信息要经过复杂的处理才能获得有用的信息。“认 知”主要用来接收和储存信息、知识、经验和数据，并对它们进行分析、推理，作出行动 的决策，送至规划和控制部分。“通信接口”除建立人机之间的联系外，还要建立系统中个 模块之间的联系。“规划和控制”是整个系统的核心，它根据给定的任务要求、反馈的信息 以及经验知识，进行自动搜索、推理决策、动作规划，最终产生具体的控制作用，经“执 行器”作用于控制对象。 我们根据g n s a r i d i s 对智能控制系统的定义构建了智能型电液比例控制系统，其比例 控制器的传感器和信号调理模块对应“感知信息处理”，错误监测模块对应“认知”，智能算 浙江大学硕上学位论文 法和闭环控制模块对应“规划和控制”，现场总线接口模块对应“通信接口”，所以所设计的 比例控制器如智能控制系统一样，可以独立控制现场比例阀系统：能采集现场工况数据、 能监测错误、能自适应调整、能闭环控制、具有现场总线接口，可与现场其他智能节点协 同工作，也可建立人机交互接1 2 。 2 2 智能比例控制器工作模型 2 2 1 传统电液比例阀的弊端 比例控制器是电液比例控制系统的核心控制元件，其性能是否可靠，关系到整个液压 系统能否正常工作，而传统的比例控制器的弊端越来越明显，主要有以下方面【4 1 1 7 1 ： ( 1 ) 传统比例控制器的分成比例阀放大器和电控器两部分设计，并分别安装在液压回 路与系统电气箱中，电磁铁控制信号与测量反馈信号均通过电缆线连接，大量的联接电缆 增加了系统的硬件成本、维护成本、也使系统的可靠性大大地降低。 ( 2 ) 传统的比例控制器不带现场总线通信接口，故障检测较简易，而液压系统是复杂 的机电液系统，一旦发生故障，由于没有工作过程的状态信息，很难排查故障部位，长时 间的停产检修对一些大型系统可能会造成很大损失。 ( 3 ) 另外传统电液比例放大器较多采用模拟式功率放大方式，其模拟式控制功率输出级 到比例阀线圈的电流是连续电流，功率器件功耗大，需加装散热装置，放大器体积显大。 而当代机械工业及工程控制系统的发展要求控制元件不但要完成控制任务，还应具有 分散控制、状态监测、故障诊断等多项功能，而且还要求降低无效功耗，能够满足节能要 求，传统的电液比例控制器显然已不能满足这些要求。 2 2 2 智能型比例控制器的工作模型 针对传统电液比例控制存在的问题，我们结合上- d , 节的g n s a r i d i s 智能控制系统的 定义，设计了一种新型的比例控制器，下面是智能型比例控制器工作模型介绍： 微控制器是比例控制器的核心部件，包括了斜坡信号、颤振信号、初始信号、算法模 块、限流模块、现场通信接口这些功能模块，并能采集现场工况信息、能控制输出电流。 下面对智能型比例控制器的工作流程做介绍： l o 浙江大学硕士学位论文 图2 2 智能比例控制器工作模型 智能型比例控制器工作流程是：比例控制器根据现场总线上传来的控制信号，调整斜坡 信号模块、初始信号模块、颤振信号模块参数，调节驱动输出电流，比例阀阀芯位置由位 移传感器检测后，经a d 转换后，向控制器提供反馈信号，形成阀内小闭环控制，可用于 比例阎的压力和流量的闭环控制。比例控制器可将比例阀工作状态信息经现场总线传到中 央控制器，现场设备的状态信息的监测和传输为系统故障诊断提供了依据，整个上下位机 管理系统可实现在线故障诊断、报警、记录等功能，因而增强了系统的可维护性。而且不 同厂商的产品只要支持同一现场总线标准( 如这里用到的c a n b u s ) ，都可以很容易地集成 到同一个现场管理系统中，实现即插即用( p l u ga n d p l a y ) 嘲。这样设计的智能型比例控制器 具有很好的开放性、互换性和可集成性。 2 2 3 比例控制器各部分介绍 按上小节的比例控制器工作模型，可将比例阀控制器分成以下2 个部分【3 】【4 1 ： 1 数字系统部分 数字系统部分包括微控制器和运行的监控软件及其微控制器扩展接口或功能，通信接 口、数据保存电路。 选用的微控制器c 8 0 5 1 f 0 4 0 集成度高、功能强大、性价比高、功耗低，工作温度、抗电 磁干扰、可靠性等都可满足恶劣环境影响【2 3 】。微控制器软件运行产生斜坡信号模块、初始 信号模块、颤振信号模块，进行限流控制，不仅简化了电路设计，而且这些模块的参数调 整和配置更灵活、方便。软件运行的运算控制模块是比例控制器的“大脑”，这部分控制系 浙江大学硕士学位论文 统的正常工作流程：如数据采集、现场通信、驱动输出、故障检测等，另外还可以进行闭 环控制运算，采用数字式p i d 控制技术，调节阀芯位移。 现场总线接口提供微控制器和现场总线通信的接口，数据保存电路用于保存设置参数 和一些重要的用户信息。 2 模拟电路部分 模拟电路部分包括电源供电电路、信号调理电路和功率驱动电路。下面分别介绍之： 电源供电电路：为这个电路板的正常工作提供电源。 信号调理电路：比例控制器所需监控的物理量，如流量、压力、速度等，也手动输入 控制电信号，将其转换成电类信号，经过信号调理，模数转换，输入到微处理器中等待处 理。 功率驱动电路包括p w m 调制模块和v i 转换电路，微控制器输出的电压信号与电流 反馈信号相比较，经p w m 调制模块放大，产生p w m 信号，p w m 信号v i 电路的功放 管始终工作在饱和区或截止区，输出符合要求的稳定电流，以驱动比例电磁铁，而推动比 例阀阀芯。 由于比例控制器其发热功耗主要在功率驱动电路，我们功率驱动电路作了专门设计， 以期降低发热功耗： 功率驱动电路根据控制信号综合后的处理方式，可分为模拟式和脉宽调n ( p w m ) 式两 种【3 1 ，结构框图如图2 3 ，2 - 4 所示。 比例 电磁铁 图2 3 模拟式功率放大电路 图2 4p w m 式功率放大电路 从结构上看，两者的主要差别是模拟式的放大器在各种信号相加后直接送功放管作电 流放大，而脉宽调制式功率放大电路在它们之间加入了p w m 环节。从内部工作情况看， 模拟式功放级工作在功放管的线性区，在非额定工况下能耗较大，同时也使发热增加，温 升高，效率较低，降低可靠性，但也具有控制精度高，响应速度快的优点。p w m 式的功 放管工作在开关状态，开状态时，功放管的压降约等于零，关状态时，通过功放管的电流 浙江大学硕士学位论文 约为零，因而使功放管的功耗大为降低，温升低，这种电路效率较高。 从上面的介绍可以看出采用p w m 信号控制比例电磁铁有很多优点，阀芯的运动是响 应p w m 信号的平均值，使阀芯工作时处于微振动状态，大大减小比例阀的滞环，另外p w m 信号的电流放大电路为开关式功放电路，放大器只工作在导通和截止状态，节能效果好， 电路效率较高。我们要进行高能效设计，所以采用了这种p w m 功率放大电路。 2 3 主要设计要求 根据项目需求，本课题所设计的比例控制器主要技术指标，如下： 单一2 4 伏供电，低功耗、低散热要求； 高集成化、微型化； 集成电液比例阀专用p w m 恒流放大电路； 参数可以数字化在线设置在线保存，无模拟调节部件； 具有与上位机进行通讯和在线仿真的功能； 电路的有效采样频率 1 0 0 h z ；控制周期 5 0 h z ； 最大输出电流：1 1 5 a 。 2 4 本章小结 本章分析了在电液比例控制系统中现在被普遍采用的智能控制系统，其“通信接1 2 1 ”完 成与外部的通信，“规划和控制”是整个系统的核心，具有自适应的控制功能，这两点也是 比例控制器智能化设计的两个关键点。 另外针对传统比例控制器存在的比例放大器与电控单元分开设计、故障检测简易等弊 端，本课题提出了新型的智能型比例控制器工作模型，对比例控制器的工作流程和组成模 块均作了介绍，比例控制器能运行智能算法，能做闭环控制，集成了现场总线通信模块， 中央控制台可通过现场总线系统对现场比例控制器进行实时通讯和在线故障监测，另外新 型比例控制器采用深度负反馈式p w m 控制功率输出，既能输出稳定电流，能大大降低控 制器发热功耗。最后根据实际需求，确定了比例控制器的主要技术指标。 论文将根据智能型比例控制器工作原理和技术指标，在后面章节里介绍比例控制器的 详细设计和实现。 浙江大学硕士学位论文 第3 章现场总线通信协议及通讯方案研究 带现场总线接口的智能控制器可与总线上其他智能节点交互通讯，与其他智能节点共 同组成现场总线系统，构建的现场总线系统可实现从系统管理级、现场管理级、节点管理 级的分级化、智能化、系统化管理，现场总线通信技术对比例控制器有较大意义。 3 1 几种常用的现场总线协议的比较 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统，主要 是解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些 现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题f 8 】1 2 4 1 。现场总线技术自2 0 世纪8 0 年代发 展起来，世界上许多研究机构和大型企业都投入大量的资金和研究力量对现场总线的标准 进行研究。到目前为止，主流的现场总线协议包括f f b u s ，p r o f i b u s ，l o n w o r k s ，c a n b u s 等1 2 4 1 。本节比较了这四种现场总线协议的技术特点和应用领域，并给出了选择c a n b u s 作为智能控制器的现场总线通信方案协议的理由。 1 ) 基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l db u s ) 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良 好发展前景的技术。其前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、 西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和i ) 麸h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地1 5 0 家公司制订 的w o r l df i p 协议，这两大集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国 际上统一的现场总线协议。它i ；( i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链 路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自 动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能 块集。由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对工业底层网络的功能需求了解透 彻，也具备足以左右该领域现场自控设备发展方向的能力，因而由它们组成的基金会所颁 布的现场总统规范具有一定的权威性。 f f 分低速h l 和高速h 2 两种通信速率，h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达 1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。h 2 的传输速率可为 1 m b p s 和2 5 m b p s n 种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质支持双绞线、光缆 和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 2 标准。 2 、p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。p r o f i b u s 采用 浙江火学硕上学位论文 o s i 模型的物理层、数据链路层，i 扫p r o f i b u s d rp r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a - - 个系列组成。 p r o f i b u s d p 型意为分散化的外围设备( d p ) 型，隐去了第3 层至第7 层，而增加了直接数据连 接拟合作为用户接口用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。 p r o f i b u s f m s 意为现场信息规范，型则只隐去第三至第六层，采用了应用层，适用于纺织、 楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而p r o f i b u s p a 则是用于过程自动化的总线类型， 它遵从i e c l l 5 8 2 标准。 该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。传输速率为 9 6 k b p s 1 2 m b p s 。最大传输距离在1 2m b p s 时为1 0 0 m ，可用中继器延长至_ l o k m 。其传输