王浩坤

(西南石油大學(xué) 工程學(xué)院, 四川 成都 610037)

0 引言

隨著我國制造產(chǎn)業(yè)升級持續(xù)推進(jìn)和高端制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，制造行業(yè)尤其是航空航天等高端產(chǎn)業(yè)對精度高、效率快及性能優(yōu)良為主要特點的多缸液壓機(jī)需求越來越旺盛[1-3]，而液壓機(jī)的控制系統(tǒng)是液壓機(jī)發(fā)揮高性能的關(guān)鍵[4-5]。因此，本文利用以太網(wǎng)技術(shù)對液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，首先利用FPGA邏輯處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體設(shè)計，然后根據(jù)控制器構(gòu)成對各模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，最后對系統(tǒng)性能進(jìn)行了實驗分析。

1 伺服控制系統(tǒng)分級面板設(shè)計

伺服控制系統(tǒng)是以高精度計算芯片為核心，通過芯片內(nèi)部運(yùn)算程序控制液壓機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)[6-9]，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該控制系統(tǒng)采用控制板+信號板的布設(shè)方式，圖中虛線框內(nèi)部為控制板，線框外為信號傳遞元件。

從圖1可以看出，該控制系統(tǒng)的核心是FPGA邏輯處理器，因此，本文重點對其進(jìn)行了設(shè)計分析。在本文設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要功能是數(shù)據(jù)處理和緩存。其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

圖2 FPGA功能結(jié)構(gòu)

首先，通過光柵尺位置變化將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過SSI數(shù)據(jù)采集模塊后將轉(zhuǎn)變的電信號進(jìn)行采集并以32位形式緩存，用M法及T法將32位信號轉(zhuǎn)化為16位信號，DSP接口與數(shù)據(jù)存儲模塊根據(jù)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)格式以16位數(shù)據(jù)形式將電信號存儲，SPI發(fā)送模塊將16位電信號以命令代碼形式發(fā)送到下一模塊。

從圖2可以看出，SSI是通過光纖尺將液壓伺服機(jī)滑塊位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，由于多缸伺服機(jī)滑塊位置精度要求較高[10-12]，因此，本文采用了SSI信號輸出，其控制精度可達(dá)0.02 mm。其模塊如圖3所示。

圖3 SSI接口模塊

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，該接口包含時鐘生產(chǎn)、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換3個模塊。時鐘生產(chǎn)模塊是直接與光柵尺連接部分，利用滑塊周期運(yùn)動的時間差與時鐘生產(chǎn)模塊的記錄保持一致得到精確的位置信息；數(shù)據(jù)接收模塊將時鐘生產(chǎn)模塊產(chǎn)生的多缸串聯(lián)信號轉(zhuǎn)化為并聯(lián)信號；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊是將接收模塊接收的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)控制語言，以二進(jìn)制代碼形式在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行信息交換。

DSP接口與數(shù)據(jù)存儲模塊是控制器信息加工中心，也是控制器的核心部分[13-15]。該模塊的多功能RAM硬件用于存儲液壓機(jī)的速度與光柵位置數(shù)據(jù)，同時，對液壓機(jī)整體運(yùn)行進(jìn)行控制的信息也存儲于RAM控制器中，通過數(shù)據(jù)選擇模塊，DSP16位數(shù)據(jù)總線與多功能RAM模塊可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。因此，該模塊對于RAM存儲模塊提出了更高要求，本文選用34×16固定存儲器以存儲多種類型的數(shù)據(jù)，ISA總線與SPI發(fā)送模塊直接相連，通過數(shù)據(jù)選擇模塊直接與數(shù)據(jù)總線相連，如圖4所示。

圖4 DSP接口與數(shù)據(jù)存儲

SPI發(fā)送模塊是數(shù)字輸入控制和將串聯(lián)數(shù)據(jù)變?yōu)椴⒙?lián)數(shù)據(jù)的樞紐。其模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SPI發(fā)送模塊

時鐘生產(chǎn)模塊根據(jù)控制系統(tǒng)內(nèi)部整體時間和系統(tǒng)內(nèi)信號傳遞需要的時間形成該模塊的時鐘時間，時鐘生產(chǎn)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是將上述兩種時間轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息并傳入到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊，同時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊能將32位數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)格式。

為了統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)的時間，需要將各個模塊包含的時鐘生產(chǎn)功能進(jìn)行統(tǒng)一的時間標(biāo)定。因此，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)特別設(shè)計了PLL模塊，通過各個時鐘生產(chǎn)模塊與PLL模塊的連接實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部時間統(tǒng)一，該模塊穩(wěn)定性高，對提高系統(tǒng)內(nèi)各模塊協(xié)調(diào)工作具有重要作用,如圖6所示。

圖6 內(nèi)部PLL結(jié)構(gòu)

除了上述硬件結(jié)構(gòu)外，控制系統(tǒng)程序設(shè)計是系統(tǒng)實現(xiàn)精密控制的保障。本文利用Device程序開發(fā)軟件對控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行了設(shè)定。首先，需要在DSP程序中開發(fā)一個將各個模塊數(shù)據(jù)暫時存儲的寄存器，如表1所示。

表1 寄存器位置信息

該寄存器是為控制系統(tǒng)產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)提供緩存服務(wù)，系統(tǒng)寄存器共包含4頁，根據(jù)不同的寄存地址將寄存器位置分為表1所示的幾種類型。該寄存器可根據(jù)功能的不同，整體劃分為接收區(qū)和發(fā)送區(qū)兩個區(qū)域，即該寄存器既可以存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)包又可以存儲接收到的數(shù)據(jù)包。

系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的多模塊協(xié)同高精度控制系統(tǒng)，因此，控制系統(tǒng)中必須嵌入TCP/IP協(xié)議，在以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為四層，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層

首先，應(yīng)用層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鬏攲樱瑐鬏攲訉?shù)據(jù)加工后形成UDP報文，UDP報文經(jīng)過格式加工增加IP首部后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層形成IP數(shù)據(jù)包，IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過加工增加幀頭后形成以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中各個模塊間數(shù)據(jù)就是此類型。

2 系統(tǒng)連接

伺服控制系統(tǒng)與液壓缸連接是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，系統(tǒng)連接如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)連接

首先通過電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動油量泵的移動，油量泵調(diào)節(jié)高壓油的輸出量控制比例伺服器，通過上一章節(jié)中比例伺服器的精確調(diào)節(jié)，流入到伺服器的高壓油按照規(guī)定的速率溢流到液壓缸中以此控制液壓機(jī)的壓力，由于本文采用的多缸液壓機(jī)，因此，伺服控制器必須保證每個液壓缸的運(yùn)動軌跡是一致的。

3 控制系統(tǒng)測試分析

系統(tǒng)設(shè)計完成后需對其性能進(jìn)行測試分析，本文主要對其網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了實驗測試。

利用TCP測試工具對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測試分析。測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

首先在系統(tǒng)內(nèi)部定義發(fā)送口和接收口，模塊內(nèi)可發(fā)送UDP包，經(jīng)過寄存器緩存和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層加工后發(fā)送到接收口，通過寄存器和以太網(wǎng)絡(luò)層間的信息加工和暫存功能實現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。該通訊網(wǎng)絡(luò)可靠，能夠準(zhǔn)確無誤地傳遞不同模塊間的信息，且傳輸速率快，有利于控制系統(tǒng)的靈敏性。

多缸液壓系統(tǒng)采用3路不通的加載電路對同一設(shè)備進(jìn)行加載，因此必須保證各加載單元在獨(dú)立加載條件下具有趨于一致的加載曲線。本文采用的PID控制單元控制不同加載電路的加載條件，因此，必須保證在PID控制線路模式下和仿真實驗結(jié)果趨于一致，如圖10所示。

圖10 仿真實驗曲線

從圖10中可以發(fā)現(xiàn)，兩條曲線在加載壓力逐漸增大過程中趨于一致，當(dāng)加載壓力穩(wěn)定在20 000 N時曲線出現(xiàn)了一定偏差，偏差范圍在0.01%內(nèi)，符合實驗要求，表明該控制系統(tǒng)可靠性滿足使用要求。

4 總結(jié)

多缸液壓伺服控制系統(tǒng)是其實現(xiàn)高精度的核心，也是多缸液壓伺服機(jī)制造的難點。本文以FPGA作為控制器的運(yùn)算中心，對控制器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計并分析了系統(tǒng)內(nèi)各模塊的功能，以網(wǎng)絡(luò)寄存器為基礎(chǔ)對系統(tǒng)時間及模塊間數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了設(shè)計，最后以實驗的方法對網(wǎng)絡(luò)性能和加載精度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)安全可靠且滿足精度要求。