CN102720877B - 直驱式旋转液压阀控制芯片 - Google Patents
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Abstract
直驱式旋转液压阀控制芯片，用于控制由直流无刷电机拖动的旋转式液压阀。本控制芯片细分为10个相互间并行操作的处理单元：时钟单元、IO单元、通信单元、DA单元、AD单元、滤波单元、数据读写单元、PID求解单元、输出单元、LCD显示单元。其中通信单元从上位机获取设定的控制目标并反馈当前状态；IO单元、AD单元和滤波单元用于读取被控制对象的工作状态；PID求解单元利用控制目标和现时状态计算出控制占空比；输出单元利用PID求解单元计算值控制直流无刷电机三相桥各路通断。本芯片通过内部硬件电路并行处理各单元程序，计算速度快，使用可靠。
Description
技术领域
直驱式旋转液压阀控制芯片涉及比例阀、伺服阀控制器领域，用于控制由直流无刷电机拖动的旋转式液压阀。
背景技术
液压比例阀和伺服阀是流体传动中用于控制液体压力、流量和方向的关键元件。随着机械设计制造技术和微电子技术的发展，新型结构的比例阀和伺服阀不断涌现，其中直接驱动式旋转液压阀是一个重要发展方向，如文献（1）张光琼，单级转轴式旋转电液伺服阀，机床与液压，1991(2)：34-38；（2）焦宗夏、李树立、郭宏，有限角度旋转式电液伺服阀，申请号：200410004538.6；（3）庄健、于德弘、陈振国、于新堂，一种摆动式液压比例、伺服阀，专利号：201010232291；（4）张峻、孙福东等，一种旋转阀，专利号：03253342.X。文献（1）采用极化式双向旋转比例电磁铁作为驱动器；文献（2）采用步进电机作为驱动器；文献（3）采用直流无刷电机作为驱动器；文献（4）将阀门闸板制成椎体，采用手柄驱动。此类新型阀的驱动多为旋转式的，因此阀体也多相应的采用旋转式结构。而这些新式结构又推动了控制器的发展，相关的专利包括（5）王虎，比例阀控制器，申请号：200820215988.3；（6）简·范考温伯格，巴特·科尔佩尔特等，电磁阀控制器，申请号：200680031478.4；（7）田青来，朱国雄，微电脑比例阀控制器，申请号：99200044.0；（8）袁志国，王成阁，一种伺服阀驱动电路，申请号：200810049469.9。文献（5）设计硬件电路使得输出端电流跟随控制端变化，电路起到放大保护作用；文献（6）发明的电磁阀控制器用于机动车ABS/ESP中，采用磁性线圈控制一个弹性体件的运动，继而改变与弹性体相连的液压装置的工作状态；文献（7）发明的控制器采用单片机完成通信、显示、键盘、选通输入、输出驱动等动作，采用可编程逻辑芯片控制输出驱动电路；文献（8）设计一种硬件电路用于正相或反相驱动伺服阀并显示伺服阀的工作状态。上述控制器专利多侧重于保护电路或驱动电路的搭建，对系统构架及人机交互考虑较少，虽然也有采用单片机组建的微处理系统，但受单片机性能影响，此控制器控制性能必定相对较差。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺点，本发明提供一种直驱式旋转液压阀控制芯片，芯片被细分为10个相互间并行操作的处理单元：时钟单元、IO单元、通信单元、DA单元、AD单元、滤波单元、数据读写单元、PID求解单元、输出单元、LCD显示单元：通信单元通过外围通讯接口得到设定目标并将其传送给芯片内PID求解单元，亦可以通过外接键盘完成人机交互通信；IO单元除控制I/O口外还可以采集数字传感器测量值，如利用编码器采集液压阀阀芯角位移、液压执行器的位移、角位移；而若液压阀或执行器采用电压、电流、电阻等模拟量反馈时，即可利用AD单元控制外接AD转换芯片采集；IO单元和AD单元在完成数据采集后将其传送给滤波单元，滤波单元将处理后的测量值传输给PID求解单元；PID求解单元根据设定目标、当前运行状态和自身存储的PID参数求解控制量；输出单元利用控制量控制直流无刷电机三相桥各路通断，进而改变直驱式旋转液压阀的工作状态，达到控制效果；数据读写单元用于读写系统工作状态；LCD单元用于实时显示当前工作状态；DA单元给外接传感器提供精确模拟电量；作业中各个单元并行操作，工作时序由时钟单元给定。
在程序调试过程中，首先实现智能控制算法的片上化，采用超高速集成电路硬件描述语言——VHDL编制程序，然后将程序下载到现场可编程门阵列——FPGA中进行设计优化，改进算法、参数，经验证后利用硬件设计图制备专用集成电路——ASIC，即可得出直驱式旋转液压阀控制芯片。
新型阀控制器工作系统如图3所示，本发明既可采集被控对象的数字反馈值又可采集模拟反馈值，在控制阀体动作前根据实际传感器类型进行相应选择，适用范围大大增加；同时具有良好的人机交互，可通过LCD显示器读出现实工作状态，也可通过内存读取出整个控制过程的全纪录。由于芯片中执行程序的是硬件电路，可靠性更强，且并行操作的特性带来更快的计算速度。专用芯片批量生产后还可降低成本。
附图说明
图1为直驱式旋转液压阀控制芯片构成图。
图2为直驱式旋转液压阀控制芯片控制方法的算法流程。
图3为直驱式旋转液压阀控制系统结构图。
具体实施方法
如图1所示，本发明的控制芯片分为10个相互间并行操作的处理单元：时钟单元、IO单元、通信单元、DA单元、AD单元、滤波单元、数据读写单元、PID求解单元、输出单元、LCD显示单元，其中通信单元通过外围通讯接口得到设定目标(1)并将其传送给芯片内PID求解单元；IO单元除控制I/O口外还可以采集数字传感器测量值(5)；AD单元控制外接AD转换芯片采集模拟传感器测量值(3)，并将其传送给滤波单元；滤波单元将处理后的测量值(7)传输给PID求解单元；PID求解单元根据设定目标(2)、实际运行状态(7)和自身存储的PID参数求解出控制量(8)；输出单元利用控制量(8)控制直流无刷电机三相桥各路通断，进而改变直驱式旋转液压阀的工作状态；数据读写单元用于读写系统工作状态；LCD单元用于实时显示当前工作状态；DA单元给外接传感器提供精确模拟电量；时钟单元用于统一各单元操作时序。
具体工程操作如图2所示，包括以下步骤：
第1步为硬件安装，将被控比例阀或伺服阀上的电机驱动器与本控制芯片对应接口相连，将传感器与控制芯片的AD单元或IO单元相连；
第2步是芯片初始化操作，芯片上电后对内部变量进行初始化操作，然后进行系统设置，确定反馈形式、控制对象、控制目标，设置好相应参数；
第3步是传感器数据采集，利用DA单元给传感器提供稳定电压，对采集到的传感器数值进行滤波处理得出现实工作状态；
以下4步同时进行：
第4.1步是将处理得到的现实工作状态和控制目标等实时显示；
第4.2步是利用通信单元将设定好的状态变量（如阀芯角位移、液压缸位移、液压阀进出口压力、流量）和控制效果传输给上位机；
第4.3步是利用数据读写单元记录有关的状态变量和控制效果；
第4.4步是PID求解单元根据设定目标(2)、实际运行状态(7)和自身存储的PID参数求解出控制量；
第5步是输出单元利用控制量驱动直流无刷电机三相桥各路通断，进而改变直驱式旋转液压阀的工作状态；
第6步是判定是否满足结束条件或接受到结束命令，若没有结束则继续跳转第3步执行，否则完成控制过程。
Claims (4)
1.直驱式旋转液压阀控制芯片，其特征在于：将控制芯片细分为10个相互间并行操作的处理单元：时钟单元、IO单元、通信单元、DA单元、AD单元、滤波单元、数据读写单元、PID求解单元、输出单元、LCD显示单元，其中通信单元通过外围通讯接口得到设定目标(1)并将其传送给芯片内PID求解单元；IO单元除控制I/O口并采集数字传感器测量值(5)；AD单元控制外接AD转换芯片采集模拟传感器测量值(3)，并将其传送给滤波单元；滤波单元将处理后的测量值(7)传输给PID求解单元；PID求解单元根据设定目标(2)、实际运行状态(7)和自身存储的PID参数求解出控制量(8)；输出单元利用控制量(8)控制直流无刷电机三相桥各路通断，进而改变直驱式旋转液压阀的工作状态；数据读写单元用于读写系统工作状态；LCD单元用于实时显示当前工作状态；DA单元给外接传感器提供精确模拟电量；时钟单元用于统一各单元操作时序。
2.如权利要求1所述的直驱式旋转液压阀控制芯片，其特征在于：输出单元控制对象为由直流无刷电机直接驱动的液压比例阀或伺服阀。
3.如权利要求1所述的直驱式旋转液压阀控制芯片，其特征在于：采集被控制液压阀和液压执行器的工作状态，当被控对象采用数字传感器反馈数字量时，利用IO单元采集其反馈值；当被控对象采用模拟传感器反馈电压值时利用AD单元采集其反馈值。
4.如权利要求3所述的直驱式旋转液压阀控制芯片，其特征在于：所述液压执行器为液压缸或液压马达。
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