CN104991582B - 一种伺服压力控制系统 - Google Patents

Abstract

一种伺服压力控制系统，包括伺服压力控制器、压力传感器、伺服电机部分；伺服压力控制器包括MCU、ADC电路、DAC电路、模拟输入信号调零电路、模拟信号PID调整电路；压力传感器将反映压力值的电压信号给伺服压力控制器，反映用户命令的电压信号给伺服压力控制器，反映压力值的电压信号经模拟信号调零电路后给ADC电路，由模拟信号PID调整电路对反映压力和目标压力的两个电压信号的偏差量做比例、积分、微分处理，所得电压信号给ADC电路与伺服电机系统。伺服压力控制器还包括将输送的电压信号限制在一定范围之内的模拟信号限幅输出电路。本发明在自动化行业中解决了压力控制的难点，并且大幅度提高了实时响应和控制精度。

Description

一种伺服压力控制系统

技术领域：

本发明涉及控制技术领域，具体而言，涉及一种伺服压力控制系统。

背景技术：

在自动化设备中常需要以恒定的力夹紧或者压合产品。现有的工程应用中使用伺服电机控制运动机构恒力输出可以用伺服电机转矩控制模式，并在输出末端加上压力传感器监测输出力的大小。但这是一个开环的系统，由于传动机构引入的误差及对电机扭矩误差的放大，在输出末端输出的力与给定量有一定的差别，而且调整的灵敏性非常差，压力传感器只是监测输出力的大小，不能起到反馈作用。

由于以上控制模式的缺点明显，在实际应用中一般会使用伺服电机转矩控制模式或位置控制模式，在控制软件中以轮询的方式根据压力传感器采集值与给定值之差来调整控制模拟量或者是位置命令。但此控制方法的缺点是：需占用大量CPU的宝贵时间，需要编写复杂的软件代码，而且实时性差，实际使用中要限制在很低的速度下。

申请号为200820057674.5的发明公开了一种基于PID控制算法的电子压力控制器，其硬件结构包括微处理器、按键、液晶屏、光藕、阀门、储气设备、压力传感器、电源、放大电路、PC机控制界面、RS232转换电路等。其中，微处理器是整个系统的核心。本控制器基于双传感器负反馈，采用PID控制算法和PWM控制方式，解决了压力控制快速性和稳定性问题。该控制器输入电压为24V，正常工作气压为0一100Psi，用户可选择控制信号对气压进行控制。该控制器使用LCD显示技术，可以使用按键进行压力控制或标定等的操作；并且基于Modbus协议或CAN通信，确保上位机和微控制器之间的通信，实现上位机对压力的控制等操作以及压力曲线的显示。

发明内容：

本发明所解决的技术问题：基于PID控制算法的电子压力控制器，因压力传感器异常等不可控因素造成输出异常增大导致输出力超过安全范围的情况出现。

本发明提供如下技术方案：

一种伺服压力控制系统，包括伺服压力控制器、压力传感器、伺服电机部分；

所述电源电路用于给伺服压力控制器供电；

所述伺服压力控制器包括MCU和单片机最小系统电路、数码管及按键扫描电路、通讯接口电路、模拟信号调零电路、ADC电路、DAC电路、信号选择输出电路、模拟信号PID调整电路；

所述伺服压力控制器通过通讯接口电路连接上位机，伺服压力控制器通过数码管及按键扫描电路连接控制面板；

所述压力传感器将反映压力值的电压信号输送给伺服压力控制器，反映用户命令的电压信号通过通讯接口电路给发送给伺服压力控制器，所述反映压力值的电压信号进模拟信号调零电路调零后给ADC电路，由模拟信号PID调整电路对反映压力的电压信号与反映目标压力的电压信号的偏差量做比例、积分、微分处理，处理后所得的电压信号输出给ADC电路与被控制的伺服电机系统。MCU可将输入伺服压力控制器的信号和伺服压力控制器输出的信号经通讯接口电路显示在上位机的控制界面上，同时，MCU也可将输入伺服压力控制器的信号和伺服压力控制器输出的信号经数码管及按键扫描电路显示在控制面板上；

所述伺服压力控制器还包括模拟信号限幅输出电路，所述模拟信号限幅输出电路用于将伺服压力控制器向伺服电机系统输送的电压信号限制在设定值的范围之内。

按上述技术方案，模拟信号限幅输出电路使从伺服压力控制器向伺服电机系统输送的模拟电压在限制值范围之内，如此，可避免因压力传感器异常等不可控因素造成输出异常增大导致输出力超过安全范围的情况出现。

作为对上述技术方案中模拟信号限幅输出电路的一种说明，所谓限幅电路是限制信号输出幅度的电路，它能按限定的范围削平信号电压的波形幅度，是用来限制信号电压范围的电路，又称限幅器、削波器等。限幅电路应用非常广泛，常用于整形、波形变换、过压保护等电路。限幅电路按功能分为上限幅电路、下限幅电路和双向限幅电路三种。上限幅电路在输入电压高于某一上限电平时产生限幅作用；下限幅电路在输入电压低于某一下限电平时产生限幅作用；双向限幅电路则在输入电压过高或过低的两个方向上均产生限幅作用。作为本发明的一种优选，本发明所述的模拟信号限幅输出电路为双向限幅电路。

作为本发明对伺服压力控制器的一种说明，模拟信号PID调整电路具体包括求差电路、比例电路、积分电路、微分电路、求和电路；所述比例电路、积分电路、微分电路并联后其输入端与求差电路串接，其输出端与求和电路串接。

作为本发明对伺服压力控制器的一种说明，所述伺服压力控制器包括数字电位器电路，所述数字电位器电路根据MCU指令控制模拟信号PID调整电路的比例、积分、微分参数。

作为本发明对伺服压力控制器的一种说明，所述伺服压力控制器还包括模拟信号调零电路，所述模拟信号调零电路可对输入伺服压力控制器的压力传感器测得电压重新设置零点参考。所述模拟信号调零电路可采用申请号为03132129.1的发明专利申请所述的模拟信号自动初始调零电路，该自动初始调零电路适用于传感器变送后模拟信号的自动初始调零，一般电子测量仪器的快速初始调零，更适合应用于自动化控制系统中模拟信号的自动初始调零。其主要由放大电路、A/D转换电路、调零控制电路、D/A转换电路、衰减电路、合成电路等依次构成。其原理为输入模拟量放大后经A/D转换为数字量，在逻辑电平控制下锁存该数字量，将其经D/A转换为模拟量并衰减后作为初始模拟量的记录，将它与输入模拟量做减法运算，完成初始调零功能。上述发明专利申请所述的模拟信号自动初始调零电路具有快速、逻辑电平控制调零的优点，大幅度提高了工作效率，并易于实现自动控制。

基于上述对于伺服压力控制器的说明，所述模拟信号PID调整电路的输入端与模拟信号调零电路串接，模拟信号PID调整电路的输出端与模拟信号限幅输出电路串接，模拟信号PID调整电路由MCU控制。

基于上述对于伺服压力控制器的说明，所述伺服压力控制器还包括信号选择输出电路；所述伺服压力控制器设有第一模拟量输出通道和第二模拟量输出通道，由模拟信号PID调整电路对压力传感器测得电压信号与用户输入电压信号进行处理后所得的电压信号通过第一模拟量输出通道输出给被控制的伺服电机；所述信号选择输出电路具有选择第二模拟量输出通道的功能，可以使伺服压力控制器通过第二模拟量输出通道输出单独的一路电压信号给伺服电机系统，也可以使伺服压力控制器通过第二模拟量输出通道输出对输入的压力传感器测得电压信号重新设置零点参考后的电压信号供其他模拟量采集设备采集。

申请号200610163738.5的发明专利申请公开了一种信号选择电路，将从多个模拟信号中选择的相同或不同的第一及第二模拟信号转换为数字信号，从而输出第一及第二数字信号，该信号选择电路具备：模拟信号选择电路，根据模拟选择信号，从所述多个模拟信号中选择所述第一及第二模拟信号；第一AD转换器，将由所述模拟信号选择电路输出的所述第一模拟信号转换为第三数字信号并输出；第二AD转换器，将由所述模拟信号选择电路输出的所述第二模拟信号转换为第四数字信号并输出；数字信号选择电路，根据数字选择信号，将所述第三及第四数字信号的一方或双方作为所述第一及第二数字信号而选择输出；和控制电路，根据用于选择所述第一及第二数字信号的输出选择信号，输出所述模拟选择信号及所述数字选择信号。

本发明可采用上述发明专利申请中的信号选择电路作为信号选择输出电路。如此，经过调零后的压力信号和单独一路DAC转换得到的模拟量信号进入信号选择电路。所述信号选择输出电路可将单独一路DAC转换得到的模拟量信号经伺服压力控制器第二模拟量输出通道输出给伺服电机系统，也可以将调零后的压力信号经伺服压力控制器第二模拟量输出通道输出给其他模拟量采集设备，供其采集。

作为本发明对伺服压力控制器的一种说明，所述伺服压力控制器还包括数字I/O电路，所述数字I/O电路使伺服压力控制器能与其他器件进行I/O信号交互。

作为本发明对电源电路的一种说明，所述电源电路包括三端稳压芯片，所述电源电路设有电源监测电路，所述电源监测电路将电源电路三端稳压芯片前端电压分压后与一基准电压比较，来监测输入电源电压是否低于安全值。

由上述说明可知，本发明所述伺服压力控制系统实现了将压力传感器采集值做反馈实现了一个实时的闭环系统，很好地解决了传统控制方式的不足之处，优越性体现在以下几个方面：

1、能够根据给定命令精确控制输出末端输出力的大小，并且保证输出末端输出力的恒定，即便输出末端位置一直变化，也能够保证输出末端输出恒定力；

2、上位机控制软件只需通过RS-232或USB端口发送给定值命令，控制方式简单，而且能实时返回当前压力值，方便上位机软件绘制压力曲线图；

3、不需要再使用昂贵的模拟量采集卡，成本更低。

本发明所述伺服压力控制系统的核心控制电路采用的是模拟电路，使用模拟比例、积分、微分电路对模拟信号控制，实时性连续性好。并且能够对压力传感器采集值重新设置零点参考，解决了实际应用中因加工件重力等因素导致的偏移。还能对输出端电压输出范围进行设置，防止因压力传感器异常等不可控因素造成输出异常增大导致输出力超过安全范围的情况出现。而且还能选择另一路模拟量输出端口的功能，可以是输出单独的一路模拟电压来控制电机速度，也可以是输出对输入的压力传感器模拟电压信号重新设置零点参考后的电压信号来供其他模拟量采集设备采集。单片机和ADC、DAC、数字电位器等数字芯片对电路的监控和参数设置，实现了通过RS-232和USB端口与上位机进行串行通讯，实现了操作界面上的数码管显示和按键输入设置。

本发明所述伺服压力控制系统在自动化行业中解决了压力控制的难点，并且大幅度提高了实时响应和控制精度。让自动化设备供应商能够应对更高生产要求的项目的问题，相比于传统方案成本更低，控制难度更简单。让自动化生产中产品生产一致性更高，生产数据采集更方便，产品的品质管控能更具体。

附图说明：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明所述伺服压力控制系统的结构示意图；

图2为本发明所述伺服压力控制系统的工作示意图。

具体实施方式：

如图1，一种伺服压力控制系统，包括伺服压力控制器、压力传感器、伺服电机部分。

如图1，所述伺服压力控制器包括MCU和单片机最小系统电路、数码管及按键扫描电路、通讯接口电路、模拟信号调零电路、ADC电路、DAC电路、模拟信号PID调整电路、数字电位器电路、模拟信号限幅输出电路、信号选择输出电路、数字I/O电路。

如图1，上述伺服压力控制器中，所述伺服压力控制器通过通讯接口电路连接上位机。

如图1，上述伺服压力控制器中，所述伺服压力控制器通过数码管及按键扫描电路连接控制面板。

如图1，上述伺服压力控制器中，所述模拟信号调零电路可对输入伺服压力控制器的压力传感器测得电压重新设置零点参考。

如图1，上述伺服压力控制器中，所述模拟信号PID调整电路包括求差电路、比例电路、积分电路、微分电路、求和电路；所述比例电路、积分电路、微分电路并联后其输入端与求差电路串接，其输出端与求和电路串接，所述求和电路与模拟信号限幅输出电路串接。

如图1，上述伺服压力控制器中，所述模拟信号限幅输出电路用于将伺服压力控制器向伺服电机系统输送的电压信号限制在一定值的范围之内。

如图1，上述伺服压力控制器中，所述数字I/O电路使伺服压力控制器能与其他器件进行I/O信号交互。

如图1，所述电源电路用于给伺服压力控制器和压力传感器供电；所述电源电路包括三端稳压芯片，所述电源电路设有电源监测电路，所述电源监测电路将电源电路三端稳压芯片前端电压分压后与一基准电压比较，来监测输入电源电压是否低于安全值。

结合图1和图2，本发明所述伺服压力控制器的工作过程如下：

第一，所述压力传感器将反映压力值的电压信号输送给伺服压力控制器，用户输入目标压力给伺服压力控制器。

第二，所述反映压力值的电压信号进入伺服压力控制器。电压信号经过模拟信号调零电路后，由模拟信号PID调整电路(具体为求差电路、比例电路、积分电路、微分电路、求和电路)对反映压力值的电压信号与反映目标压力的电压信号的偏差量做比例、积分、微分处理(模拟信号PID调整电路的比例、积分、微分参数由数字电位器电路根据MCU指令控制)，处理后所得的电压信号经第一模拟信号通道输出给被控制的伺服电机系统。

第三，MCU可将输入伺服压力控制器的信号及伺服压力控制器输出的信号经通讯接口显示在上位机的控制界面上，同时，MCU也可将输入伺服压力控制器的信号及伺服压力控制器输出的信号经数码管显示在控制面板上。

以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种伺服压力控制系统，包括伺服压力控制器、压力传感器、和伺服电机部分；所述伺服压力控制器包括MCU和单片机最小系统电路、数码管及按键扫描电路、通讯接口电路、ADC电路、DAC电路、模拟输入信号调零电路、模拟信号PID调整电路；所述伺服压力控制器通过通讯接口电路连接上位机，伺服压力控制器通过数码管及按键扫描电路连接控制面板；所述压力传感器将反映压力值的电压信号输送给伺服压力控制器，目标压力信号通过通讯接口电路发送给伺服压力控制器，所述反映压力值的电压信号进模拟信号调零电路调零后给ADC电路，由模拟信号PID调整电路对反映压力的电压信号与反映目标压力的电压信号的偏差量做比例、积分、微分处理，处理后所得的电压信号输出给ADC电路与被控制的伺服电机系统；MCU可将输入伺服压力控制器的电压信号经通讯接口电路显示在上位机的控制界面上，同时，MCU也可将输入伺服压力控制器的电压信号经数码管及按键扫描电路显示在控制面板上；电源电路用于给伺服压力控制器供电；所述伺服压力控制器还包括模拟信号限幅输出电路，所述模拟信号限幅输出电路用于将伺服压力控制器向伺服电机系统输送的电压信号限制在设定值的范围之内；

所述伺服压力控制器还包括信号选择输出电路；所述伺服压力控制器设有第一模拟量输出通道和第二模拟量输出通道，由PID调整电路对反映压力的电压信号与反映目标压力的电压信号进行处理后所得的电压信号通过第一模拟量输出通道输出给被控制的伺服电机；所述信号选择输出电路具有选择第二模拟量输出通道的功能，可以使伺服压力控制器通过第二模拟量输出通道输出单独的一路电压信号给伺服电机系统，也可以使伺服压力控制器通过第二模拟量输出通道输出反映压力值的电压信号，所述电压信号为压力传感器信号放大后的电压信号，重新设置零点参考后的电压信号供其他模拟量采集设备采集；

所述电源电路包括三端稳压芯片，所述电源电路设有电源监测电路，所述电源监测电路将电源电路三端稳压芯片前端电压分压后与一基准电压比较，来监测输入电源电压是否低于安全值。

2.如权利要求1所述的一种伺服压力控制系统，其特征在于：所述模拟信号PID调整电路包括求差电路、比例电路、积分电路、微分电路、求和电路；所述比例电路、积分电路、微分电路并联，并联后的比例电路、积分电路、微分电路的输入端与求差电路串接，并联后的比例电路、积分电路、微分电路的输出端与求和电路串接。

3.如权利要求1所述的一种伺服压力控制系统，其特征在于：所述伺服压力控制器包括数字电位器电路，所述数字电位器电路根据MCU指令控制模拟信号PID调整电路的比例、积分、微分参数。

4.如权利要求1所述的一种伺服压力控制系统，其特征在于：所述伺服压力控制器还包括模拟信号调零电路，所述模拟信号调零电路可对输入伺服压力控制器的压力传感器测得电压重新设置零点参考。

5.如权利要求1所述的一种伺服压力控制系统，其特征在于：所述伺服压力控制器还包括数字I/O电路，所述数字I/O电路使伺服压力控制器能与其他器件进行I/O信号交互。