专利名称：一种伺服控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电液伺服控制技术领域，具体涉及一种伺服控制器。
背景技术：
电液伺服控制器是液压伺服控制系统不可缺少的控制单元，控制器的质量直接影响到整个液压控制系统的精度。控制器是将执行元件的动作参量(如位移、力、速度、加速度)经过采集、调理、放大后将控制指令传递给伺服阀，伺服阀控制伺服作动器带动执行元件完成规定的动作。因此，伺服控制器在系统中有着举足轻重的作用。电液伺服控制器工作原理是将来自工控机的激振波信号与执行元件位移信号的误差信号进行放大并驱动电液伺服阀，经过电液伺服阀完成液压功率放大并驱动执行元件动作，执行元件的(位移、力、速度、加速度等参量)由传感器测量并经过调制解调放大后反馈给伺服控制器，来实现对执行元件的位移、力、速度、加速度的控制。 目前的液压伺服控制系统如图I所示，其中的计算机数据采集控制系统包括数据采集及控制系统、信号调理单元、电源稳压单元和传感器，此种构成决定了其要完成系统控制需要外加伺服控制器(伺服驱动器)，致使整个系统的体积比较庞大，笨重，且内部没有激励源，同样需要外设，进一步增大其体积，使得整个系统复杂，操作不便，更重要的是其功能单一，只能实现单通道、单参量的控制。
实用新型内容本实用新型的目的是解决现有的液压伺服控制系统所存在的体积大、复杂、操作不便和功能单一的问题。为达上述目的，本实用新型提供了一种伺服控制器，其特殊之处在于，包括伺服作动器驱动模块、D/A转换模块、实时控制模块DSP、A/D转换模块、用于采集位移传感器、力传感器、速度传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块、双口 RAM存储器模块、PC/104接口模块、电平转换驱动电路模块、逻辑电路模块和用于给所述伺服作动器驱动模块、D/A转换模块、实时控制模块DSP、A/D转换模块、用于采集位移传感器、力传感器、速度传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块、双口 RAM存储器模块、PC/104接口模块、电平转换驱动电路模块和逻辑电路模块供电的稳压电源电路模块；所述实时控制模块DSP通过D/A转换模块与所述伺服作动器驱动模块电联接；所述双口 RAM存储器模块与所述实时控制模块DSP电联接；所述双口 RAM存储器模块通过所述电平转换驱动电路模块与所述PC/104接口模块电联接；所述逻辑电路模块分别与所述实时控制模块DSP、所述双口 RAM存储器模块及所述电平转换驱动电路模块电联接；所述信号采集调理放大电路模块通过所述A/D转换模块与所述实时控制模块DSP电联接；所述逻辑电路模块通过所述电平转换驱动电路模块与所述PC/104接口模块电联接；所述实时控制模块DSP设置有限位开关信号接口。上述实时控制模块DSP是型号为TMS320F2812的实时控制模块DSP。[0007]上述实时控制模块DSP设置有RS232串口通信接口。上述伺服作动器驱动模块、D/A转换模块、A/D转换模块、用于采集各位移传感器、力传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块、双口 RAM存储器模块、PC/104接口模块、电平转换驱动电路模块、稳压电源电路模块和逻辑电路模块均集成在一块电路板上，所述实时控制模块DSP为单独一块标准尺寸电路板。上述实时控制模块DSP对所述位移传感器、力传感器、速度传感器及限位开关信号的采样频率是IKHZ ;所述双口 RAM存储器模块和PC/104接口模块上端的数据传输速率为 200Hz ο通过锂电池为伺服控制器提供24VDC ;所述位移传感器、力传感器、速度传感器由信号采集调理放大电路模块提供电源；所述位移传感器、力传感器、速度传感器的供电接线端口单独给出。上述传感器电源有两种24V直流电源和5V直流电源。 本实用新型的优点是本伺服控制器集数据采集、处理、放大于一体，同时也增加了脉冲激励源环节，可直接对电液伺服作动系统实现控制无需增加外设，使得整个控制系统体(即液压伺服控制系统)积小巧，同时也简化了系统构成，使得操作简单，可直接与计算机连接实现系统控制；更重要的是可实现多通道、多参量同时控制，优化了系统设计和控制。
以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明图I是现有液压伺服控制系统的结构示意框图；图2是本实用新型提供的液压伺服控制系统中的伺服控制器的控制原理示意图；图3是本实用新型提供的液压伺服控制系统的结构示意框图。
具体实施方式
本实施例为解决现有的液压伺服控制系统所存在的体积大、复杂、操作不便和功能单一的问题，提供了如图2所示的伺服控制器集成了数据采集、调理、放大的功能于一体，同时也增加了脉冲激励源环节，与图I所示的现有的液压伺服控制系统相比较，要完成系统控制无需外加伺服控制器(伺服驱动器)，且内部设有激励源，同样无需外设，使得整个系统简化，体积减小，方便了操作，可直接与计算机连接实现系统控制。且该伺服控制器(伺服驱动器)具有至少四个物理接口，可实现多通道、多参量(如力、位置、速度、加速度等)同时控制，具体可参见图2所示的上述伺服控制器的控制原理示意图，由此图不难看出，该伺服控制器包括伺服作动器驱动模块(即图2中所示的伺服驱动器)，其驱动电液伺服阀伺服作动器，有至少四个物理接口、D/A转换模块(即图2中所示的DA转换器)、实时控制模块DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)、A/D转换模块(即图2中所示的AD转换器)、用于采集位移的位移传感器(如图2中所示的LVDT位移传感器)、力传感器(如图2中所示的拉压力传感器、足底三维力传感器)、速度传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块(即图2中所示的信号采集调理放大电路)、双口 RAM存储器模块(即图2中所示的双口RAM)、PC/104接口模块(即图2中所示的PC/104接口)、电平转换驱动电路模块(即图2中所示的电平转换驱动电路)、逻辑电路模块(即图2中所示的逻辑电路)和用于给伺服作动器驱动模块(即图2中所示的伺服驱动器)、D/A转换模块(即图2中所示的DA转换器)、实时控制模块DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)、A/D转换模块(即图2中所示的AD转换器)、用于采集位移的位移传感器(如图2中所示的LVDT位移传感器)、力传感器(如图2中所示的拉压力传感器、足底三维力传感器)、速度传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路、双口 RAM存储器模块(即图2中所示的双口 RAM)、PC/104接口模块(即图2中所示的PC/104接口)、电平转换驱动电路模块和逻辑电路模块(即图2中所示的电平转换驱动电路和逻辑电路)供电的稳压电源电路模块(即图2中所示的稳压电源电路);所述实时控制模块DSP (即图2中所示的DSP TMS320F2812)通过D/A转换模块(即图2中所示的DA转换器)与所述伺服作动器驱动模块(即图2中所示的伺服驱动器)电联接；双口 RAM存储器模块(即图2中所示的双口 RAM)与所述实时控制模块DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)电联接；双口 RAM存储器模块(即图2中所示的双口 RAM)通过电平转换驱动电路与PC/104接口模块(即图2中所示的PC/104接口)电联接；逻辑电路分别与实时控制模块DSP (即图2中所示的DSP TMS320F2812)、双口 RAM存储器模块(即图2中所示的双口 RAM)及电平转 换驱动电路电联接；信号采集调理放大电路通过A/D转换模块(即图2中所示的AD转换器)与实时控制模块DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)电联接；逻辑电路通过所述电平转换驱动电路与PC/104接口模块(即图2中所示的PC/104接口)电联接；实时控制模块DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)设置有限位开关信号接口。实时控制模块DSP (即图2中所示的DSP TMS320F2812)设置有RS232串口通信接口。本实施例选用的实时控制模块DSP是型号为TMS320F2812的实时控制模块DSP (即图中所示的 DSP TMS320F2812)。基于上述电液伺服控制器，将图I所示的现有的液压伺服控制系统改进成为图3所示的电液伺服控制系统，包括电液伺服作动系统和计算机数据采集控制系统，其中，该计算机数据采集控制系统包括进行数据采集、处理、放大且具有脉冲激励源的伺服控制器和与该伺服控制器通信的上位操作计算机(即图3中所示的操作/监控计算机)；电液伺服作动系统包括依次电联接的电控柜、液压泵(即图3中所示的液压源)、电液伺服阀、伺服作动器、执行元件和传感器，电控柜、电液伺服阀和传感器与伺服控制器电联接。整个系统的硬件布局是伺服驱动器、DA转换器、AD转换器、用于采集各位移的位移传感器(如LVTD位移传感器)、力传感器(拉/压力传感器、足底三维力传感器)、速度传感器(速度传感器和加速度传感器)及限位开关信号的信号采集调理放大电路、双口 RAM、PC/104接口、电平转换驱动电路、稳压电源电路和逻辑电路均集成在一块电路板上，实时控制模块DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)为单独一块标准尺寸电路板，可通过插针式总线扩展方式层叠栈接起来，具有体积小、可靠性高、安装快捷、便于扩展的特点。综上所述，不难看出，由于本实施例提供的图2所示的电液伺服控制器集数据采集、处理、放大于一体，同时也增加了脉冲激励源环节，可直接对电液伺服作动系统实现控制无需增加外设，使得整个控制系统体(即图3所示的液压伺服控制系统)积小巧，同时也简化了系统构成，使得操作简单，可直接与计算机连接实现系统控制；更重要的是可实现多通道、多参量同时控制，优化了系统设计和控制。由图2不难看出，各模块之间的传输信号有控制状态、数据、地址、片选、控制、地址I、地址2、控制信号、中断信号、串口总线、串口通信、反馈信号、阀控信号I、阀控信号2、阀控信号3和阀控信号4等。现将液压伺服控制系统的原理分析如下整个控制系统包括伺服作动器驱动模块(即图2中所示的伺服驱动器)、实时控制模块DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)、模拟量输入/输出模块(如图2中所示的DA转换器)、数字量输入/输出模块(如图2中所示的AD转换器)、双口 RAM、PC/104接口模±夹(即图2中所示的PC/104接口)、电源模块(如图2中所示的稳压电源电路)等。实验过程中各传感器输出参数依次经过信号采集调理放大电路、AD转换器后进入DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)，分别完成位移、拉压力、速度、加速度等信号采集；而上位机控制指令信号则依次通过PC/104接口、双口 RAM、DSP (即图中所示的DSP TMS320F2812)、DA转换器、伺服驱动器等处理后到达伺服作动器，形成完整的闭环控制回路，实现整个系统的控制功能。接下来对整个系统各个部分进行详细描述，以便本领域的普通技术人员能够充分理解和再现本实施例提供的液压伺服控制系统，尤其是其中的伺服控制器。
·[0026]I、电源电路部分伺服控制器自带220VAC转24VDC、± 12VDC及5VDC电路部分，可采用类似于TPS767D318的线性电源芯片为DSP(如图2中所示的DSP TMS320F2812)内核提供+1. 8V电源，为外围电路提供+3.3 V电源。且有相应的电平转换电路使DSP (如图2中所示的DSPTMS320F2812)、双口 RAM以及PC/104接口部分电路实现电平匹配。外部电源输入端与线性电源芯片之间串联磁珠，以隔离输入端的高频噪声，增强电源的稳定性。在电源芯片的输出端并联滤波电容，以减小电源纹波。2、DSP处理电路部分本例可使用型号为TMS320F2812等的DSP芯片，采用高速DSP数字信号处理技术，开发高效的信号处理算法和软件PID控制等算法，通过对多通道伺服控制信号即上位机指令信号和传感器反馈信号进行比较和运算等实时处理，得到输出信号即伺服阀控制信号，形成完整的软件PID控制回路，对伺服作动器进行实时控制和检测。3、A/D和D/A转换电路部分本例可使用TI公司的ADC和DAC芯片，如ADSl 158和DAC7564等，对位移传感器和各个力传感器的输出模拟信号进行2至16路高精度ADC转换和经DSP (如2图中所示的DSP TMS320F2812)进行运算和处理后输出的数字信号进行I至8路高精度DAC转换，输出给伺服阀驱动电路部分，以达到对伺服作动器进行实时控制和检测的目的。且AD转换器和DA转换器的电路都具有相关的信号调理和放大电路对信号进行缓冲和匹配。4、串行通信电路部分在此以同步外设串行(SPI)通信为例来说明，当然还有其他几种串行通信方式可以选择。SPI通信是一种主从式串行通信，TMS320F2812设有从输出/主输入(SPIS0MI)引脚、从输入/主输出(SPISMO)引脚、从传送使能(SPISTE)引脚、串行时钟(SPICLK)引脚，是标准的SPI通信配置。考虑到电平兼容性问题，在DSP的SPI控制器与外部接口之间加入缓冲器，以保证系统与电压为5V的外部设备兼容。串行通信传输的数据可在DSP中进行处理，通过双口 RAM与主机交换数据，由主机触发DSP中断，控制DSP工作，也可由DSP向主机发送中断，申请相关的处理。5、双口 RAM接口电路部分双口 RAM器件在一个SRAM存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问，即共享式多端口存储器。本例可选用IDT公司或CYPRESS公司的系列双口 RAM器件，型号如CY7C028V-20AXI等。如图I所示，双口 RAM的左半部分数据线和地址线与DSP的外部数据线和地址线直接相连，右半部分数据线和地址线经总线驱动器后分别与PC/104总线数据线和地址线连.考虑到上层主机和DSP可能同时访问双口 RAM，因此设计中采用BUSY信号控制主机或DSP的“就绪”信号，实现等待控制。双口 RAM左半部分片选信号与DSP相关管脚相连完成片选，DSP外部15位地址线与双口 RAM左半部分地址线相连，实现32K空间寻址；DSP的16位数据线与双口 RAM左半部分数据线相连，实现16位数据的并行存取；DSP的读写状态信号DLR/W控制双口 RAM左半部分的读写；双口 RAM左半部分输出DLBUSY信号，通过逻辑电路输出FRDY信号与DSP相连。双口 RAM右半部分用于主机访问，由于PC/104接口总线的地址、数据信号均为5V电平，因此采用相应的总线驱动芯片完成驱动和电平转换。可采用驱动芯片的高若干位地址通过译码作为双口 RAM右半部分片选，DRR/W控制双口 RAM右半部分读写.双口 RAM右半部分输出DRBUSY信号，通过逻辑电路输出PCRDY信号与PC/104总线的RADAY信号相连。6、逻辑电路部分本例中采用ALTERA公司的MAX V系列CPLD器件5M240Z对整个控制系统进行时序和逻辑方面的控制，使各个功能电路部分能够按照预想的方式进行实时精确的运作，实现整个控制系统的功能。采用CPLD器件来做时序逻辑电路和使用一般的逻辑芯片来做，有较多的控制逻辑单元数量和较高的控制精度等优点，而且电路结构简单，成本较低。7、软件设计与实现DSP软件开发可使用C语言、汇编语言或者MATLAB语言等，也可根据需求将几种开发语言结合使用。双口 RAM作为DSP与主机共享的存储器，当DSP接收数据并向主机发送时，将数据及标识符写入双口 RAM指定区域，然后触发主机中断。主机中断服务程序首先取出标识符，并根据标识符取出数据；当主机发送数据时，主机也将数据和标识符写入双口 RAM指定区域，触发DSP中断，DSP中断服务程序也仿照主机中断服务程序进行处理。实际应用时，可根据传送数据量的需要按以上方式定义不同数据区的起始地址和大小。无论是在DSP中还是在PC/104接口主机中，对双口 RAM的操作及收发中断都与普通内存的相同。8、伺服驱动器部分电液伺服控制器可实现多个伺服作动器同时控制，并作为一个集成单元来处理，每个控制单元的输入部分对应一个传感器的反馈信号，输出信号为DSP经DA转换器出来的阀控信号(4-20mA电流信号或士5V电压信号);来控制伺服作动器的力、位移、速度、加速度等参量，以达到所需的控制要求。每路控制单元中主要包含传感器反馈信号及其相关处理电路、指令信号及其相关处理电路，每路中都包含采样、跟随、放大等相关电路，还包括有零位调节和满程调节两种、信号微调电路；可根据客户实际要求采用硬件PID控制或软件PID控制。最后阀控信号经过一个由精密运放以及相关功率管组成的深度负反馈放大电路来驱动伺服阀，形成一个完整的闭环回路控制系统。本实施例提供的液压伺服控制系统在实际应用时的技术指标如下I、供电方式通过锂电池为控制系统提供24VDC ;各位移传感器和力传感器由响应控制电路提供电源，传感器电源有两种24VDC模拟电，5VDC数字电，各传感器供电接线端口单独给出。2、输入信号各类传感器的反馈信号及相关限位开关信号，模拟地与数字地分离；3、输出信号伺服阀的控制信号；104总线,双口 RAM向上一层控制单兀传输位移、力、速度、加速度等数据信号； 4、控制程序开发接口 DSP程序写入端口；双口 RAM硬件物理地址，多通道多采集卡情况下则硬件物理地址错开；5、最终结构单通道模式下共有3路输入端口(I路模拟信号输入，2路开关信号输入)，I路模拟信号输出端口，多通道以此类推；一个104总线端口 ；一个电源输入端口 ；一个地；多个电源输出端口。DSP对各传感器和开关信号的采样频率为lKHz，PC/104接口和双口 RAM上端的数据传输速率为200Hz。整个控制系统包括伺服驱动电路部分、数据采集、处理、输出电路部分，以及上位机控制、监测部分能达到工作协调一致、响应特性良好，工作稳定可靠，使用寿命长的优点。控制系统功能通过采集伺服作动系统的多个输出参数位移、拉压力、速度、加速度，形成闭环控制回路。分为位移、拉压力、速度、加速度等控制方式，可任选其一，且多种控制方式能平滑切换。同时能结合传感器反馈信号，对被控对象进行实时监控。数据采集系统相关参数a)输入信号模拟信号，开关信号；b)输出信号阀控信号，双口 RAM向上一层控制单元传输的位移、力、速度、加速度等数据信号，PC/104总线；c) A/D、D/A 采样精度12 位；d) 频率范围I)传感器采样速率1000Hz ;2)数据传输速率200Hz ;e) 根据实际需求能分别选择按位移、拉压力、速度、加速度等控制系统运作；f) 有可靠的安全保护功能，即按某一选定参数(如位移、拉压力)控制时，同时能实现对其它参数进行实时监控和响应，如超过某一设定极限值后系统保护或报警；g)系统控制精度I)静态控制精度1%;2)动态控制精度2% ；整个系统具有良好的可操作性，除正常使用操作外，还可设有急停保护等功能。以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保 护范围之内。
权利要求1.一种伺服控制器，其特征在于，包括伺服作动器驱动模块、D/A转换模块、实时控制模块DSP、A/D转换模块、用于采集位移传感器、力传感器、速度传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块、双口 RAM存储器模块、PC/104接口模块、电平转换驱动电路模块、逻辑电路模块和用于给所述伺服作动器驱动模块、D/A转换模块、实时控制模块DSP、A/D转换模块、用于采集位移传感器、力传感器、速度传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块、双口 RAM存储器模块、PC/104接口模块、电平转换驱动电路模块和逻辑电路模块供电的稳压电源电路模块； 所述实时控制模块DSP通过D/A转换模块与所述伺服作动器驱动模块电联接； 所述双口 RAM存储器模块与所述实时控制模块DSP电联接； 所述双口 RAM存储器模块通过所述电平转换驱动电路模块与所述PC/104接口模块电联接； 所述逻辑电路模块分别与所述实时控制模块DSP、所述双口 RAM存储器模块及所述电平转换驱动电路模块电联接； 所述信号采集调理放大电路模块通过所述A/D转换模块与所述实时控制模块DSP电联接; 所述逻辑电路模块通过所述电平转换驱动电路模块与所述PC/104接口模块电联接； 所述实时控制模块DSP设置有限位开关信号接口。
2.如权利要求I所述的伺服控制器，其特征在于，所述实时控制模块DSP是型号为TMS320F2812的实时控制模块DSP。
3.如权利要求I所述的伺服控制器，其特征在于，所述实时控制模块DSP设置有RS232串口通信接口。
4.如权利要求I所述的伺服控制器，其特征在于，所述伺服作动器驱动模块、D/A转换模块、A/D转换模块、用于采集各位移传感器、力传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块、双口 RAM存储器模块、PC/104接口模块、电平转换驱动电路模块、稳压电源电路模块和逻辑电路模块均集成在一块电路板上，所述实时控制模块DSP为单独一块标准尺寸电路板。
5.如权利要求I所述的伺服控制器，其特征在于，所述实时控制模块DSP对所述位移传感器、力传感器、速度传感器及限位开关信号的采样频率是IKHZ ;所述双口 RAM存储器模块和PC/104接口模块上端的数据传输速率为200Hz。
6.如权利要求I所述的伺服控制器，其特征在于，通过锂电池为伺服控制器提供24VDC ;所述位移传感器、力传感器、速度传感器由信号采集调理放大电路模块提供电源；所述位移传感器、力传感器、速度传感器的供电接线端口单独给出。
7.如权利要求6所述的伺服控制器，其特征在于，传感器电源有两种24V直流电源和5V直流电源。
专利摘要本实用新型提供了伺服控制器，包括伺服作动器驱动模块、D/A转换模块、实时控制模块DSP、A/D转换模块、用于采集位移传感器、力传感器、速度传感器及限位开关信号的信号采集调理放大电路模块、双口RAM存储器模块、PC/104接口模块、电平转换驱动电路模块、稳压电源电路模块和逻辑电路模块；其解决了现有液压伺服控制系统的体积大、复杂、操作不便和功能单一的问题，由于该电液伺服控制器集数据采集、处理、放大于一体，同时也增加了脉冲激励源环节，可直接对电液伺服作动系统实现控制无需增加外设，使得液压伺服控制系统具有体积小巧，操作简单，可实现多通道、多参量同时控制的优点。
文档编号G05B19/418GK202486578SQ20112049365
公开日2012年10月10日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者周景雷, 徐凯, 李康, 汪东 申请人:西安华科航空技术有限公司