增量式數(shù)字閥計算機控制系統(tǒng)研發(fā)及開發(fā)

增量式數(shù)字閥計算機控制系統(tǒng)研發(fā)及開發(fā)

作者：張萃主講人：姚xx目錄緒論1增量式數(shù)字閥計算機控制系統(tǒng)的原理及特性2系統(tǒng)硬件設(shè)計3系統(tǒng)軟件設(shè)計（不作介紹）4CompanyLogo摘要

本論文以絕緣子拉力試驗機改進設(shè)計為前提，研究開發(fā)了增量式數(shù)字比例壓力閥的計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了微機控制比例加載要求。本文從數(shù)字比例溢流閥的構(gòu)成、原理及特性出發(fā)，分析了增量式數(shù)字控制機理及控制特性。并從液壓閥控制要求、機械轉(zhuǎn)換器、步進電機、驅(qū)動器及微機控制等幾個環(huán)節(jié)探討了增量式電液數(shù)字控制系統(tǒng)開發(fā)中的若干技術(shù)問題。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計、上位機軟件、下位機軟件及相應(yīng)控制模塊的開發(fā)，創(chuàng)建了基于LabVIEW軟件虛擬儀器控制平臺。并對軟硬件及系統(tǒng)進行了試驗。該系統(tǒng)能實現(xiàn)以中央控制計算機為控制中心集群監(jiān)控多個液壓元件或多個液壓系統(tǒng)完成即定或編定的工作，也可以由下位機單獨實現(xiàn)各臺設(shè)備的獨立工作。

CompanyLogo1、緒論1940年底，首先在飛機上出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)50年代，永磁力矩馬達，噴嘴擋板閥作第一級的電液伺服閥60年代，各種結(jié)構(gòu)的電液伺服閥相繼出現(xiàn)70年代初，開始批量生產(chǎn)電液流量伺服閥80年代來發(fā)展了電液控制技術(shù)，電磁閥控制和電液比例控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用電液伺服技術(shù)的發(fā)展概況

目前，電液伺服控制和電液比例

控制都已經(jīng)發(fā)展成為比較成熟的

技術(shù)。1、1CompanyLogo

計算機電液控制系統(tǒng)擁有微機控制技術(shù)和液壓控制技術(shù)的雙重優(yōu)勢，從信息處理方面來看具有很多優(yōu)點。在這樣的基礎(chǔ)上，數(shù)字式液壓元件產(chǎn)生的背景：

計算機接收和發(fā)出的一般是離散數(shù)字式的，伺服元件及比例控制元件在與計算機相聯(lián)時一般要經(jīng)過數(shù)字化，即需要經(jīng)過A/D或D/A轉(zhuǎn)換，而不能直接相連，而且，伺服元件的加工精度要求很高，電磁比例控制元件具有對溫度的敏感性，正由于伺服、比例元件具有上述缺點，人們自然想到一種能夠直接接受數(shù)字信號的電液控制元件—數(shù)字式液壓元件。CompanyLogo

數(shù)字式液壓技術(shù)的采用，使液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)相比更具優(yōu)勢集成化高性能化高可靠性智能化CompanyLogo模擬式比例閥組合式數(shù)字閥步進式數(shù)字閥高速開關(guān)閥一般需要數(shù)模和模數(shù)的反復轉(zhuǎn)換、也常采用脈寬調(diào)制式控制，是一種間接式的數(shù)字控制由成組的普通電磁閥和壓力閥或流量閥組成的數(shù)字式壓力或流量閥。省去了昂貴的D/A轉(zhuǎn)換裝置一般是由微機控制步進電機，帶動閥芯運動，再由閥芯控制液壓執(zhí)行器工作。無需采用D/A和A/D轉(zhuǎn)換通常采用時間比率式脈沖調(diào)制來達到流量控制的目的數(shù)字式比例控制技術(shù)定義：直接接受數(shù)字控制信號，對輸出的壓力和流量進行比例控制的電液控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用的數(shù)控元件類型：CompanyLogo數(shù)?；旌鲜娇刂瓶刂品绞桨葱盘柕奶幚矸绞絹矸置}沖調(diào)制式控制CompanyLogo脈寬調(diào)制(PWM)脈幅調(diào)制(PAM)脈頻調(diào)制(PFM)脈碼調(diào)制(PCM)脈數(shù)調(diào)制(PNM)脈沖調(diào)制式控制按對脈沖信號的某一特征參數(shù)進行調(diào)制分為：CompanyLogo調(diào)制方法如圖所示脈沖量調(diào)制形式：

CompanyLogo采用模擬式比例閥的數(shù)模混合控制

用計算機來控制普通模擬式比例閥，必須采用數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其他接口電路。將計算機輸出的數(shù)字量變成模擬量，再經(jīng)放大和調(diào)節(jié)才能用于控制比例閥。圖示由模擬量比例閥組成的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)CompanyLogo采用脈沖調(diào)制的數(shù)字式比例控制系統(tǒng)

為了使計算機輸出的脈沖控制信號為比例元件接受，必須要按比例元件所能接受的信號要求來進行調(diào)制。脈沖調(diào)制指脈沖的某—特征參數(shù)受到控制的調(diào)制，該特征參數(shù)的變化反映了比例元件中控制信息的變化，因此，采用數(shù)字式控制時要對脈沖控制信號進行調(diào)制。調(diào)制方法如圖所示。在實際應(yīng)用中，脈數(shù)調(diào)制控制方式演變成增量法來實現(xiàn)。脈數(shù)調(diào)制型數(shù)字式比例控制是用計算機對增量式的數(shù)字閥進行控制的一種形式。增量式數(shù)字閥是以步進電機進行電－機械轉(zhuǎn)換的比例閥，閥芯的移動步數(shù)與輸人脈沖數(shù)成比例。為了使閥芯達到某一需要的開度(幅值)。脈數(shù)調(diào)制型數(shù)控系統(tǒng)的框圖見圖所示。計算機根據(jù)約定指令，輸出脈沖序列，經(jīng)脈沖分配和放大后去驅(qū)動步進電機，使數(shù)字閥按脈沖數(shù)量的要求，改變輸出的壓力、流量和方向去推動液壓執(zhí)行器.CompanyLogo圖示脈數(shù)調(diào)制型數(shù)控比例系統(tǒng)CompanyLogo增量式數(shù)字閥的優(yōu)點可直接由脈沖信號控制精度高抗干擾能力強CompanyLogo增量式數(shù)字閥計算機控制系統(tǒng)的開發(fā)意義及內(nèi)容增量式數(shù)字閥計算機控制系統(tǒng)的開發(fā)意義本項目是對絕緣子拉力試驗機液壓加載系統(tǒng)進行改進而設(shè)的。絕緣子拉力試驗機實施的試驗項目包括以下幾項內(nèi)容：1、逐個試驗2、一分鐘耐受試驗3、96小時保壓試驗4、破壞試驗拉力試驗機液壓原理圖如圖所示。CompanyLogoCompanyLogo本論文的研究內(nèi)容

1．增量式數(shù)字壓力閥控制系統(tǒng)的工作原理及特性

對增量式數(shù)字閥閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理、傳動元件及傳動機構(gòu)性能要求進行分析和研究。2．控制電路的設(shè)計

本論文中所應(yīng)用的設(shè)計思路是集散控制的方法，即下位機可以在脫離上位機的情況下單獨運行，就是有上位機監(jiān)控時，大量的數(shù)據(jù)處理和操作功能也由下位機來完成，大大的提高了整個系統(tǒng)的運行速度，下位機電路主要包括：（1）儀用信號放大板，用來放大不同的壓力傳感器的壓力值，該放大板由多路選擇開關(guān)，可編程增益控制，運算放大器等組成。（2）CPU控制板，（3）步進電機控制板，（4）模數(shù)信號轉(zhuǎn)換電路，（5）RS485總線電路設(shè)計。3．控制軟件設(shè)計

下位機控制軟件與相應(yīng)的硬件相對應(yīng)，設(shè)計了各種功能子程序，具有操作速度快，功能完善的特點。上位機控制軟件——LabVIEWCompanyLogo2、增量式數(shù)字閥計算機控制系統(tǒng)的原理及特性

增量式數(shù)字閥計算機控制系統(tǒng)框圖如圖增量式電液數(shù)字控制閥閉環(huán)控制系統(tǒng)CompanyLogo增量式數(shù)字溢流閥的工作原理及特性分析增量式數(shù)字溢流閥原理圖CompanyLogo根據(jù)圖示可建立數(shù)字溢流閥液壓部分的數(shù)學模型模型假設(shè)：1．忽略導閥的粘性摩擦2．忽略主閥的干摩擦。得出描述增量式數(shù)字溢流閥的動靜態(tài)特性的基本方程如下；流量連續(xù)方程主閥及導閥的平衡方程為：CompanyLogo對于絲桿螺母機械轉(zhuǎn)換機構(gòu)有：t

-絲桿螺距

-

步進電機步距角

N-輸入脈沖數(shù)由此有步進電機的步位壓力特性圖CompanyLogo步進電機及其特性:

步進式數(shù)字閥是指由步進電機作電—機械轉(zhuǎn)換的數(shù)字閥。對步進式數(shù)字閥的控制從本質(zhì)上說就是對步進電機的控制。

步進電機是一種將脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的電磁裝置，是—種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電機則有運轉(zhuǎn)和定位兩種基本狀態(tài)。每給它輸入一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度，當有連續(xù)脈沖輸入時，它就一步一步地轉(zhuǎn)動。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場會使轉(zhuǎn)子保持在原有位置而處于定位狀態(tài)。在不失步的情況下，由于它的位移量與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，且時間上與輸人脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量，頻率及各繞組的通電順序，使可獲得所要求的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等特性。

具體的：1、步進電機的動態(tài)特性2、步進電機電磁驅(qū)動力矩3、矩頻特性4、步進電機速度的提高5、步進電機的微機驅(qū)動CompanyLogo步進電機選擇

選擇的總體原則是步進電機的運行頻率高、輸出轉(zhuǎn)矩要大、步距誤差小和性能價格比高。但是由步進電機的轉(zhuǎn)矩—頻率特性，頻率過高勢必造成轉(zhuǎn)矩降低，所以實際選用時應(yīng)全面考慮。所以需要對它的負載、精度和速度進行分析。

拉力試驗機的精度要求在不同的拉力值下數(shù)值有所不同，脈沖當量一定要能滿足對精度的要求，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)范圍為0—25MPa，可計算出脈沖當量（MPa/脈沖），然后由脈沖當量選擇電機的步距角和機械轉(zhuǎn)換器的傳動比，并根據(jù)精度要求選擇電機的步距精度。選用混合式步進電機。CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo機械轉(zhuǎn)換器

機械轉(zhuǎn)換器的主要作用是將步進電機的轉(zhuǎn)動步距角轉(zhuǎn)換為閥芯或彈簧的直線位移。正確選用機械轉(zhuǎn)換器對于確定步進電機的步距角、改變電機軸上的負載情況和改善阻尼等非常重要。常用的機械轉(zhuǎn)換器可以是凸輪機構(gòu)或螺桿（絲桿—螺母或滾珠—絲桿）機構(gòu)，并且可以根據(jù)步進電機脈沖速率的高低或可調(diào)與否決定是否設(shè)置齒輪減速機構(gòu)。凸輪式機械轉(zhuǎn)換器絲桿—螺母式機械轉(zhuǎn)換器CompanyLogo

調(diào)節(jié)桿可以推動閥芯，也可以推動彈簧，本系統(tǒng)為推動彈簧結(jié)構(gòu)，由于采用了變頻控制，采用（c）所示轉(zhuǎn)換器形式。步進電機閉環(huán)控制的研究

步進系統(tǒng)多采用開環(huán)控制，由于步進電機本身的性能及機械結(jié)構(gòu)等因素的影響都可使工作量軸偏離指令值，使系統(tǒng)的精度降低，而且這種開環(huán)控制也只能用于系統(tǒng)特性符合某種函數(shù)的系統(tǒng).

應(yīng)用閉環(huán)控制使系統(tǒng)的控制精度、重復精度都大大的提高了，也大大的降低了控制的難度，有效地提高步進系統(tǒng)的性能。1．步進電機驅(qū)動系統(tǒng)和閉環(huán)控制

步進電機在工作時將輸入的數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換成電機軸的輸出角度，每個脈沖使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一個步距角，并依靠電磁力矩將轉(zhuǎn)軸準確地鎖定在相應(yīng)的步距位置上。

由于各種非線性因素的影響，必然使被驅(qū)動部件的實際位移偏離指令值，而開環(huán)系統(tǒng)不會檢測到這個問題，所以無法對其進行有效校正與補償，因此很難使系統(tǒng)達到較高的控制精度。CompanyLogo

在系統(tǒng)中引入檢測環(huán)節(jié)并對其進行閉環(huán)控制，可從根本上解決步進系統(tǒng)的精度問題，檢測環(huán)節(jié)可將檢測到的實際被測量反饋給控制器，控制器根據(jù)檢測到的運動部件的實際被測量和速度狀態(tài)，來調(diào)整輸入脈沖的數(shù)量、頻率，使步進電機穩(wěn)定在正常運行狀態(tài)，并使運動部件的實際被測量與指令要求一致，從而滿足步進驅(qū)動系統(tǒng)的精度和可靠性的要求。2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法要提高步進驅(qū)動系統(tǒng)的精度，應(yīng)從幾方面考慮:首先，改善步進電機的性能，減小步距角。其次，采用精密傳動副，減小傳動鏈中的間隙。這里提出的步進驅(qū)動系統(tǒng)閉環(huán)控制方法，一方面對步進電機的步距角進行細分驅(qū)動，另一方面引入被測量檢測環(huán)節(jié)和閉環(huán)控制器，使系統(tǒng)的運動部件的精度由檢測環(huán)節(jié)的測量精度決定，并對系統(tǒng)中各種非線性因素的影響通過控制器進行有效的動態(tài)校正與補償。閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。CompanyLogo閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖CompanyLogo3、系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用步進電機進行控制液壓加載的隨動方式，通過對系統(tǒng)壓力的實時檢測進行反饋控制?？傮w設(shè)計思路CompanyLogo數(shù)據(jù)采集裝置采集信號可以是壓力、位移等。程控增益放大器1．儀用放大器與運算放大器比較

在本系統(tǒng)中應(yīng)用AD620作放大器。儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。運算放大器的閉環(huán)增益是由其反向輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定。電橋前置電路AD620是一個低成本，高精度的儀表放大器，使用方便，僅需使用一個外部電阻即可設(shè)置增益CompanyLogo上圖示是一個電橋前置電路，一種典型的儀表放大器應(yīng)用。當檢測信號時，電橋電阻器阻值改變，使電橋失去平衡并且在電橋兩端產(chǎn)生一個差分的電壓變化。該電橋的信號輸出就是這種差分電壓，將其直接連接到儀表放大器的輸入端。CompanyLogoCompanyLogo程控增益放大

經(jīng)過多路開關(guān)選通進來的信號送到程控增益放大板放大，電路如圖所示。

CompanyLogo模擬信號轉(zhuǎn)換裝置

在本系統(tǒng)的設(shè)計中還設(shè)計了兩種模擬信號的轉(zhuǎn)換方式，一種是用傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換方式，另一種是用V/F轉(zhuǎn)換方式，可以在實際測試中應(yīng)用不同的方法進行比較，以排除干擾的影響。采集到的信號傳到下位機CPU中后根據(jù)編寫的處理方法進行相應(yīng)的處理（比如容差處理，運算處理等）后對步進電機進行閉環(huán)控制，步進電機動作后的新壓力或流量值重新采集回來后再進行控制，由于是硬件處理方式，所以控制頻率大大提高，這也就大大的提高了控制的精度。CPU控制主板

由于51系列的單片機的口線資源只有32位，直接連接各外部設(shè)備明顯不夠用，本系