CN103660361B - 一种伺服压力机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伺服压力机控制系统，属于机电控制技术领域。本发明的伺服压力机控制系统包括ARM9微处理器子模块和FPGA子模块，两者通过总线通讯；ARM9微处理器子模块读取所述位置检测装置输出的滑块位置信息，通过滑块位置信息得到此位置处滑块的理论速度并将滑块理论速度传递给FPGA子模块；FPGA子模块采用三级串联模糊PID控制结构对伺服电机进行控制。进一步地，所述ARM9微处理器子模块包括Linux+Xenomai的实时嵌入式操作系统。相比现有技术，本发明具有成本低、软硬件资源紧凑、功耗小、实时控制性好、精确度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种伺服压力机控制系统，属于机电控制技术领域。
背景技术
目前的伺服压力机控制系统大多采用个人计算机或工控机与运动控制卡相结合的上位机与下位机模式，使用通用操作系统，如windows、Linux等操作系统，该方式能将计算机的开放性和信息处理能力与运动控制卡的运动处理特性相结合，便于升级和扩展，但这种方式也存在着控制系统成本高，硬件资源浪费严重，功耗高的缺点。同时，在伺服压力机的发展过程中，如何提高伺服压力机的精度，并且实现快速稳定的响应一直是伺服压力机研究的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种伺服压力机控制系统，降低控制系统成本、充分利用硬件资源、降低功耗，并提高控制精度、响应速度以及稳定性。
一种伺服压力机控制系统，所述伺服压力机包括伺服电机，伺服电机通过齿轮减速传动装置与一偏心轮相连接，偏心轮通过连杆与一滑块相连接，所述滑块上设置有用于检测滑块位置和速度的位置检测装置，所述偏心轮上设有用于检测偏心轮转速的光电编码器，所述伺服压力机控制系统包括ARM9微处理器子模块和FPGA子模块，两者通过总线通讯；ARM9微处理器子模块读取所述位置检测装置输出的滑块位置信息，通过滑块位置信息得到此位置处滑块的理论速度并将滑块理论速度传递给FPGA子模块；FPGA子模块采用三级串联模糊PID控制结构对伺服电机进行控制，具体如下：FPGA子模块将滑块速度理论值与滑块实际速度进行比较，得到滑块速度理论值与实际值的偏差和偏差的微分，并根据偏差和偏差的微分通过模糊规则在线查询模糊矩阵对PID控制器参数进行整定；之后将滑块速度转化为偏心轮转速，并与偏心轮实际速度进行比较，通过偏心轮转速模糊PID控制器处理；最后将偏心轮速度转化为伺服电机转速，并与伺服电机实际转速比较，通过伺服电机转速模糊PID控制器处理，最终得到伺服电机驱动信号。
优选地，所述位置检测装置为光栅尺。
进一步地，所述ARM9微处理器子模块包括Linux+Xenomai的实时嵌入式操作系统，该实时嵌入式操作系统通过以下方法构建：通过Xenomai基于Adeos机制构建一个平行于Linux系统的实时内核，Adeos在已存在的操作系统中抽象出一个软件层，Linux和Xenomai都以域的形式存在，Xenomai 在Adeos 系统中的域优先级高于Linux 域，当用户进行参数设定时，采用Linux标准系统调用，当伺服压力机处于运行状态时时采用Xenomai的实时系统调用，由于Xenomai域的优先级高于Linux，在进入运行状态后，系统的实时任务将不受影响，直到伺服压力机停止运转后，重新调用Linux标准系统。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过采用ARM9微处理器子模块和FPGA子模块结合的控制器模式，采用嵌入式的操作系统，使得软硬件资源结构紧凑，功耗小，降低了成本；通过构建Linux+Xenomai的实时嵌入式操作系统增强了控制系统的实时性；通过直接检测滑块、偏心轮的位置信息，采集伺服电机的运转信息，构建了闭环系统，使得系统精度大大提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；图中各标号含义如下：
1、S3C2440芯片；2、外部接口模块；3、SRAM单元；4、NANDFLASH单元；5、电源模块；6、开关量输入输出处理子模块；7、FPGA子模块；8、伺服电机编码盘接口；9、信号处理模块；10、伺服电机驱动器；11、伺服电机；12、一级传动小齿轮；13、一级传动大齿轮；14、二级传动小齿轮；15、带光栅尺滑块；16、连杆；17、偏心轮；18、光电编码器；19、二级传动大齿轮；20、操作面板；21、触摸屏；22、I2C总线；
图2为本发明的PID综合闭环控制的原理图；
图3为本发明的Linux+Xenomai的实时嵌入式系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了本发明一个优选实施例的结构，如图所示，本发明的伺服压力机控制系统，以S3C2440芯片1为核心，以SRAM单元3、NANDFLASH单元4为内存和存储设备组成了ARM9微处理器子模块；外部接口子模块中包括了USB接口、串口、并口，通过外部接口子模块可以和宿主机相连，方便升级核心板卡中的系统；操作面板20、触摸屏21构成了整个人机界面子模块，通过串口通讯方式实现与ARM9微处理器子模块的连接，将用户设定参数传递给系统，并能实时显示伺服压力机的监控画面；ARM9微处理器子模块、外部接口子模块、人机界面子模块、电源子模块构成了整个核心板卡模块。在整个扩展卡模块中，FPGA子模块7通过I2C总线22和S3C2440芯片1进行实时通讯 ，接收系统传递的指令并操纵伺服电机的运转。FPGA子模块7通过伺服电机驱动器10连接伺服电机11，伺服电机11经两级齿轮减速机构（小齿轮12、大齿轮13、小齿轮14、大齿轮19）与偏心轮17相连，偏心轮17上设有光电编码器18，偏心轮17通过连杆16与带光栅尺滑块15相连。滑块15上的光栅尺用以测量滑块的位移和速度参数，同光电编码器18所测量的偏心轮角速度信息一起通过总线传递给信号处理模块9，通过信号处理后传递给FPGA子模块7，核心板卡模块实时调用存储在FPGA中的位置信息形成闭环控制，本发明由于直接检测滑块位移，大幅提高了系统精度，使滑块下死点位置重复精度达到±0.01mm，同时本发明的控制系统还将比较滑块15位移速度信息和偏心轮17的位移速度信息，以此确定偏心轮17、连杆16、滑块15之间的传递是否可靠。
为了实现对滑块的精确控制，如图2所示，本发明将控制过程分为两部分进行处理，ARM9子模块主要负责得到滑块的理论速度值，并将滑块理论速度值实时传递给FPGA子模块；FPGA子模块主要负责进行高速运算，将理论值与实际值进行比较，通过三级串联模糊PID处理得到伺服电机的驱动信号。
系统中，通过光栅尺测量滑块的位置信息和滑块实际速度信息；通过光电编码器测量偏心轮的实际转速；这部分信息被信号处理子模块收集并被FPGA子模块读取。
ARM9子模块通过I2C总线与FPGA子模块进行实时通讯，读取滑块位置信息，通过滑块位置信息得到此位置处滑块的理论转速。ARM9子模块将滑块理论速度传递给FPGA子模块。
在FPGA子模块中将滑块速度理论值与滑块实际速度进行比较，得到滑块速度理论值与实际值的偏差和偏差的微分，并根据偏差和偏差的微分通过模糊规则在线查询模糊矩阵对PID控制器参数进行整定；之后将滑块速度转化为偏心轮转速，并与偏心轮实际速度进行比较，通过偏心轮转速模糊PID控制器处理；最后将偏心轮速度转化为伺服电机转速，并与伺服电机实际转速比较，通过伺服电机转速模糊PID控制器处理，最终得到伺服电机驱动信号。这一部分利用FPGA的高速运算能力，通过三级串联模糊PID控制提高了伺服压力机的控制精度、实现快速稳定的响应。
本发明中，ARM9微处理器子模块采用Linux+Xenomai的实时嵌入式操作系统，由于Linux 内核本身的实现方式和复杂度，使得Linux 本身不能使用于强实时应用，如图3所示，本发明通过Xenomai基于Adeos机制构建了一个平行于Linux系统的实时内核，Adeos在已存在的操作系统中抽象出一个软件层，Linux和Xenomai都以域的形式存在，Xenomai 在Adeos 系统中的域优先级高于Linux 域，当用户进行参数设定时，采用Linux标准系统调用，当伺服压力机处于运行状态时采用Xenomai的实时系统调用，由于Xenomai域的优先级高于Linux，在进入运行状态后，系统的实时任务将不受影响，直到伺服压力机停止运转后，重新调用Linux标准系统。
Claims (3)
1.一种伺服压力机控制系统，所述伺服压力机包括伺服电机，伺服电机通过齿轮减速传动装置与一偏心轮相连接，偏心轮通过连杆与一滑块相连接，所述滑块上设置有用于检测滑块位置和速度的位置检测装置，所述偏心轮上设有用于检测偏心轮转速的光电编码器，其特征在于，所述伺服压力机控制系统包括ARM9微处理器子模块和FPGA子模块，两者通过总线通讯；ARM9微处理器子模块读取所述位置检测装置输出的滑块位置信息，通过滑块位置信息得到此位置处滑块的理论速度并将滑块理论速度传递给FPGA子模块；FPGA子模块采用三级串联模糊PID控制结构对伺服电机进行控制，具体如下：FPGA子模块将滑块速度理论值与滑块实际速度进行比较，得到滑块速度理论值与实际值的偏差和偏差的微分，并根据偏差和偏差的微分通过模糊规则在线查询模糊矩阵对PID控制器参数进行整定；之后将滑块速度转化为偏心轮转速，并与偏心轮实际速度进行比较，通过偏心轮转速模糊PID控制器处理；最后将偏心轮速度转化为伺服电机转速，并与伺服电机实际转速比较，通过伺服电机转速模糊PID控制器处理，最终得到伺服电机驱动信号。
2.如权利要求1所述伺服压力机控制系统，其特征在于，所述位置检测装置为光栅尺。
3.如权利要求1所述伺服压力机控制系统，其特征在于，所述ARM9微处理器子模块包括Linux+Xenomai的实时嵌入式操作系统，该实时嵌入式操作系统通过以下方法构建：通过Xenomai基于Adeos机制构建一个平行于Linux系统的实时内核，Adeos在已存在的操作系统中抽象出一个软件层，Linux和Xenomai都以域的形式存在，Xenomai 在Adeos 系统中的域优先级高于Linux 域，当用户进行参数设定时，采用Linux标准系统调用，当伺服压力机处于运行状态时采用Xenomai的实时系统调用，由于Xenomai域的优先级高于Linux，在进入运行状态后，系统的实时任务将不受影响，直到伺服压力机停止运转后，重新调用Linux标准系统。
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