CN105650064A - 一种基于dsp的气动位置伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的气动位置伺服控制器。包括DSP处理器模块、信号调理电路板模块、控制器标准接口面板和控制箱；DSP处理器模块与信号调理电路板相连接，固定在控制器标准接口面板上，控制面板安装固定于控制箱内；控制面板提供了外部电源输入、气压信号、位移传感器信号、CAN通信及仿真调试标准接口，标准接口与控制箱内部的信号调理电路板的电路接头或传感器接头相连接；DSP处理器采集信号进行控制策略运算，输出控制信号经控制器标准接口面板传递给外部执行器。本发明执行速度快，系统的实时性高，运行复杂的伺服运动控制策略，采用CAN总线进行通信，能够进行多主多从通信，方便进行集群协同控制；使用嵌入式微处理器，系统功耗低，结构紧凑。

Description

一种基于DSP的气动位置伺服控制器

技术领域

本发明涉及一种基于DSP的气动位置伺服控制装置，具体为一种气动运动控制器，属于控制技术和自动化设备领域。

背景技术

随着计算机技术及自动控制理论研究发展，气动伺服技术逐渐成熟，在工业自动化、生产流水线、食品包装、机器人、医疗器械等需要较高的定位和力输出精度场合有着广泛应用；较液压伺服与电气伺服的显著优势在于装置成本低，且具有功率质量比较大、无污染、结构紧凑、抗过载性能好、维护简单的优点。现有的气动伺服控制器商用产品，能够取得较高的定位控制精度，但其连续轨迹跟踪性能薄弱；国内外学者所研究的气动伺服控制器，大多针对硬件电路进行设计，控制器的核心算法并无突破性进展，控制效果很一般；且因建立准确的气动伺服系统模型复杂，绝大多数存在设计的伺服控制策略简单控制效果较差、控制器成本高、集成化程度低、通信方式单一、网络化智能化程度低、拓扑性较差、二次开发不便等不足，故气动伺服控制器有很大的改进空间。

发明内容

针对现有的技术缺陷和不足，本发明的目的在于设计一种基于DSP的气动位置伺服控制器，包括硬件电路和高性能控制软件，结构紧凑、降低成本，适用于高精度定位控制和连续轨迹跟踪控制，采用CAN总线通信支持多台控制器同步工作。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括DSP处理器模块、信号调理电路板模块、控制器标准接口面板和控制箱；DSP处理器模块与信号调理电路板模块相连接，固定在控制器标准接口面板上，控制器标准接口面板安装于控制箱内；控制器标准接口面板设有多个标准接口，包括外部输入总电源接口、气压信号接口、位置传感器信号接口、CAN通信接口A及JTAG仿真调试接口A，所述标准接口与信号调理电路板模块的相应接头连接。

所述DSP处理器模块，包括DSP处理器、外扩模数转换器、外扩数模转换器、CAN通信接口A、JTAG仿真调试接口A、模拟量输入接口A、开关量输出接口A、模拟量输出接口B和DSP电源接口；DSP处理器是整个控制器的核心，运行控制策略；JTAG仿真调试接口A用于现场调试和程序下载，CAN通信接口A用于DSP处理器与外部器件通信，输入控制指令和反馈DSP内部状态量；开关量输出接口A采用排线连接方式连接，输出开关量信号；模拟量输入接口A采用排线连接，用于输入模拟量信号；外扩模数转换器接收来自模拟量输入接口A的模拟量信号，转化成数字信号，送入DSP处理器进行控制策略运算，结果得到的控制量从外扩数模转换器转换成模拟电压信号，从模拟量输出接口B输出。

所述信号调理电路板模块，包括AC-DC电源模块、DC-DC电源模块、DC电源开关接口、开关阀功率放大模块、开关阀控制信号接口A、压力传感器及压力信号调理电路模块、位置传感器信号调理电路及其接口A，位置传感器信号调理电路及其接口B、模拟量输出接口A、位置传感器信号调理电路及其接口C、开关量输入接口A、模拟量输入接口A、模拟量输出接口C、AC电源输入接口；AC-DC电源模块接入单相220V交流电源，转换为24V直流电，24V直流电为比例方向阀和高速开关阀供电，24V直流电转换为+5V直流电和±5V直流电，+5为DSP处理器供电，±5V直流电为位移传感器供电；压力传感器连接至控制器标准接口面板的压力信号接口，输出信号经信号调理后，连接至模拟量输出接口B；开关量输入接口A与DSP处理器模块的开关量输出接口A采用ISP排线相连，传输开关阀控制器电压信号，信号传输至信号调理器进行功率放大后驱动开关阀动作，用于控制气源通断，附加起保护作用；模拟量输出接口A与模拟量输入接口A相连接，传送经滤波后的压力传感器输出的压力信号；模拟量输入接口B与DSP处理器模块的模拟量输出接口B相连接，接收到的模拟量信号从模拟量输出接口C输出至控制器标准接口面板的比例方向阀接口组，控制比例方向阀。

所述控制器标准接口面板，包括JTAG仿真调试接口B、CAN通信接口B、开关阀控制信号接口B、气源压力信号接口、气缸无杆腔压力信号接口组、气缸有杆腔压力信号接口组、位置传感器接口组、比例方向阀信号接口组、总电源接口、控制器总电源开关、DSP处理器模块电源开关；气压信号接口均采用气动穿板接头；位置传感器接口组用于连接采集气缸活塞杆的位置信号；开关阀控制信号接口B可同时连接4只开关阀，进行控制阀的开关动作，可用于气源的通断控制；CAN通信接口B、位置传感器接口组和比例方向阀信号接口组均采用航空接头的接口形式，方便电连接，且连接可靠稳定；控制器总电源开关用于控制整台控制器的供电；DSP处理器的电源开关用于DSP处理器的复位操作。

所述的控制箱采用塑料外壳，用于安装控制器核心部件，起保护控制器内部元器件作用。

所述的信号调理电路板模块与DSP处理器模块通过螺栓连接的机械连接方式连接在一起，信号接口采用ISP排线连接。

所述的气压信号接口采用快接式气动穿板接头。

所述的压力传感器及压力信号调理电路模块采用电压型压力传感器，直接固定安装在信号调理电路板模块上。

所述的标准接口面板模块，同时支持三组比例方向阀控双作用气缸对象进行运动轨迹跟踪控制。

所述DSP处理器模块采集来自信号调理电路板模块的信号进行高级气动伺服控制策略运算，设计实现了基于气动系统复杂非线性模型的自适应鲁棒控制算法，通过实验数据拟合和理论建模配合参数辨识方法建立气动伺服系统的模型，采用BackStepping方法设计控制算法，解决了控制算法设计中的复杂高阶模型的不匹配性问题，把系统按微分方程划分成若干个子系统，分别逐次为子系统设计期望输入值，并使得系统稳定；此外，为系统增加了基于最小二乘法的在线参数辨识功能，能够实时辨识系统参数，使得系统轨迹跟踪更精确，控制算法包含鲁棒性项使系统具有很强的鲁棒性，能够抵御有界不确定性干扰的影响，在噪声环境下仍能保持较高的控制精度；输出控制信号经控制器标准接口面板传递给外部执行器。

与已知的气动伺服控制器相比，本发明具有轨迹跟踪控制精度高、结构紧凑、成本低等优点，具体效益如下：

一、本发明设计实现了先进的气动伺服控制算法，结合实验数据拟合和参数辨识建立了系统的控制模型，运用BackStepping方法设计控制算法，把系统按微分方程划分成若干个子系统，分别逐次为子系统设计期望输入值，并使得系统稳定；基于最小二乘法的在线参数辨识功能，能够实时辨识系统参数，使得系统轨迹跟踪更精确，控制算法包含鲁棒性项使系统具有很强的鲁棒性，能够抵御有界不确定性干扰的影响，消除噪声干扰，完成较高精度的轨迹跟踪控制；控制器能够同时对三组比例方向阀控气缸系统进行轨迹跟踪控制。

二、采用DSP处理器为核心，具有运算处理速度快、浮点运算性能强大，执行速度快，系统的实时性高，采用基于模型的方法开发控制器的嵌入式软件，方便直接集成先进的控制策略，能极大地提高现有控制器轨迹跟踪精度；有效克服了以PLC为主运行伺服控制实时性较差，以单片机为核心的运算慢等不足；充分发挥了DSP处理器的高性能。

三、本发明采用CAN总线进行通信，能够进行多主多从通信，方便进行集群协同控制、同步控制；采用CAN通信也充分利用了DSP处理器的硬件CAN控制器的强大功能，通信速率快，能够在上位机上实时调节控制器参数和查看控制器内部状态，通信管理功能完善。

四、本发明采用了DSP为核心的微处理器，进行了功能精简的嵌入式电路设计，采用标准接口方便电连接，系统功耗低，装置结构紧凑，降低了成本，便于嵌入式应用。

附图说明

图1为本发明的控制器总体结构示意图。

图2为本发明的DSP处理器模块结构图。

图3为本发明的信号调理电路板模块结构图。

图4为本发明的控制器标准接口面板模块结构图。

图中：1、DSP处理器模块，2、信号调理电路板模块，3、控制器标准接口面板，4、控制箱，5、CAN通信接口A，6、外扩数模转换器，7、JTAG仿真调试接口A，8、DSP处理器，9、DSP电源接口，10、外扩模数转换器，11、模拟量输入接口A，12、开关量输出接口A，13、模拟量输出接口B，14、AC-DC电源模块，15、DC-DC电源模块，16、DC电源开关接口，17、开关阀功率放大模块，18、开关阀控制信号接口A，19、压力传感器及压力信号调理电路模块，20、位置传感器信号调理电路及其接口A，21、位置传感器信号调理电路及其接口B，22、模拟量输出接口A，23、位置传感器信号调理电路及其接口C，24、开关量输入接口A，25、模拟量输入接口B，26、模拟量输出接口C，27、AC电源输入接口，28、JTAG仿真调试接口B，29、CAN通信接口B，30、开关阀控制信号接口B，31、气源压力信号接口，32、气缸无杆腔压力信号接口组，33、气缸有杆腔压力信号接口组，34、位置传感器接口组，35、比例方向阀信号接口组，36、总电源接口，37、控制器总电源开关，38、DSP处理器模块电源开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括DSP处理器模块1、信号调理电路板模块2、控制器标准接口面板3和控制箱4；DSP处理器模块1与信号调理电路板模块2相连接，固定在控制器标准接口面板3上，控制器标准接口面板3安装于控制箱4内；控制器标准接口面板3设有多个标准接口，包括外部输入总电源接口36、气压信号接口31、32、33、位置传感器信号接口34、CAN通信接口A29及JTAG仿真调试接口A28，所述标准接口与信号调理电路板模块2的相应接头连接。

如图2所示，DSP处理器模块1，包括DSP处理器8、外扩模数转换器10、外扩数模转换器6、CAN通信接口A5、JTAG仿真调试接口A7、模拟量输入接口A11、开关量输出接口A12、模拟量输出接口B13和DSP电源接口9；DSP处理器8是整个控制器的核心，运行控制策略；JTAG仿真调试接口A7用于现场调试和程序下载，CAN通信接口A5用于DSP处理器8与外部器件通信，输入控制指令和反馈DSP内部状态量；开关量输出接口A12采用排线连接方式连接，输出开关量信号；模拟量输入接口A11采用排线连接，用于输入模拟量信号；外扩模数转换器10接收来自模拟量输入接口A11的模拟量信号，转化成数字信号，送入DSP处理器进行控制策略运算，结果得到的控制量从外扩数模转换器6转换成模拟电压信号，从模拟量输出接口B13输出。

如图3所示，信号调理电路板模块2，包括AC-DC电源模块14、DC-DC电源模块15、DC电源开关接口16、开关阀功率放大模块17、开关阀控制信号接口A18、压力传感器及压力信号调理电路模块19、位置传感器信号调理电路及其接口A20，位置传感器信号调理电路及其接口B21、模拟量输出接口A22、位置传感器信号调理电路及其接口C23、开关量输入接口A24、模拟量输入接口A25、模拟量输出接口C26、AC电源输入接口27；AC-DC电源模块14接入单相220V交流电源，转换为24V直流电，24V直流电为比例方向阀和高速开关阀供电，24V直流电转换为+5V直流电和±5V直流电，+5为DSP处理器供电，±5V直流电为位移传感器供电；压力传感器连接至控制器标准接口面板3的压力信号接口，输出信号经信号调理后，连接至模拟量输出接口B13；开关量输入接口A24与DSP处理器模块1的开关量输出接口A12采用ISP排线相连，传输开关阀控制器电压信号，信号传输至信号调理器进行功率放大后驱动开关阀动作，用于控制气源通断，附加起保护作用；模拟量输出接口A22与模拟量输入接口A11相连接，传送经滤波后的压力传感器输出的压力信号；模拟量输入接口B25与DSP处理器模块1的模拟量输出接口B13相连接，接收到的模拟量信号从模拟量输出接口C26输出至控制器标准接口面板3的比例方向阀接口组35，控制比例方向阀。

如图4所示，控制器标准接口面板3，包括JTAG仿真调试接口B28、CAN通信接口B29、开关阀控制信号接口B30、气源压力信号接口31、气缸无杆腔压力信号接口组32、气缸有杆腔压力信号接口组33、位置传感器接口组34、比例方向阀信号接口组35、总电源接口36、控制器总电源开关37、DSP处理器模块电源开关38；气压信号接口均采用气动穿板接头；位置传感器接口组34用于连接采集气缸活塞杆的位置信号；开关阀控制信号接口B30可同时连接4只开关阀，进行控制阀的开关动作，可用于气源的通断控制；CAN通信接口B29、位置传感器接口组34和比例方向阀信号接口组35均采用航空接头的接口形式，方便电连接，且连接可靠稳定；控制器总电源开关37用于控制整台控制器的供电；DSP处理器的电源开关38用于DSP处理器8的复位操作。

控制箱4采用塑料外壳，用于安装控制器核心部件，起保护控制器内部元器件作用。

信号调理电路板模块2与DSP处理器模块1通过螺栓连接的机械连接方式连接在一起，信号接口采用ISP排线连接。

气压信号接口31、32、33采用快接式气动穿板接头。

CAN通信接口B29采用航空接头。

位置传感器接口组34采用航空接头。

比例方向阀信号接口组35采用航空接头。

压力传感器及压力信号调理电路模块19采用电压型压力传感器，直接安装在信号调理电路板上。

如图4所示，标准接口面板3同时支持三组比例方向阀控双作用气缸对象，进行运动位置控制。

本发明的工作原理：

本发明提供了一种高性能伺服控制器，控制对象是比例方向阀，目标是双作用气缸位置控制，实现高精度轨迹跟踪控制和定位控制；通过CAN通信接口29接收用于传输控制命令、控制器参数及拟跟踪轨迹曲线，DSP处理器8采集来自压力传感器及压力信号调理电路模块19的压力信号运行复杂非线性自适应鲁棒控制策略，调节改变比例方向阀的控制电压，从比例方向阀信号接口组35输出，实现气缸两腔的充放气控制，当气缸两腔内压力值满足一定条件时，可实现气缸活塞的运行或停止，从而达到调理气缸的位置控制；同时采集来自位置传感器接口组34的位移信号，可实现位置闭环控制；CAN总线也用于传输控制器控制误差和控制器内部状态参量，配合上位机接收软件可实时观察显示；所设计的控制器可同时控制三组气缸系统运行，适用于三轴平台位姿控制。

实施例

本发明的提供三组阀控气缸运动接口，在DSP处理器8内部分别独立运行三个相同的控制策略，控制策略间互不干扰，故可同时用于位置跟踪控制，可完成对单缸的位置控制和三缸协同进行平台的位姿控制。控制策略采用现代先进的自适应鲁棒控制算法，是一种基于模型的控制算法，且能够在程序运行时辨识系统参数，控制效果好，控制算法烧写在DSP的程序存储区，程序运行时可脱离JTAG仿真器接口独立运行；运行过程中接收CAN总线的数据和命令，运行时可通过上位机发送停止指令中断控制器的运行过程；受限于压力传感器的量程，接入控制器的压力信号幅值均应在6Bar以内；控制器输出口模拟电压幅值在0到10V之间；控制器连接线均采用屏蔽线。

具体而言，本控制器需要配合上位机软件或能够以本机的通讯方式与本机通信的处理器使用，首先由使用者在上位机上根据被控对象特征，设置控制目标对象相应的参数，和设置通信参数，使得控制器能够与上位机通信，辨识不同的控制对象；控制器在系统上电时就会初始化，等待上位机的数据命令，运行控制策略、停止运行及实时反馈控制器控制效果和控制器内部参数；当控制器运行出错，会返回错误代码，用于控制器的调试排错。

控制器的控制周期能够达到1ms，能够达到高实时控制的要求。

控制器采用自适应鲁棒控制算法，轨迹跟踪控制精度高，在跟踪幅值90mm周期2s的标准正弦信号时，控制误差在1.5mm以内，且实验测试表明抗干扰能力较好。

控制器整体固定在标准控制面板上，固定于控制箱体内，有助于提高系统的稳定性和抗干扰能力。

上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于DSP的气动位置伺服控制器，包括DSP处理器模块（1）、信号调理电路板模块（2）、控制器标准接口面板（3）和控制箱（4）；DSP处理器模块（1）与信号调理电路板模块（2）相连接，固定在控制器标准接口面板（3）上，控制器标准接口面板（3）安装于控制箱（4）内；控制器标准接口面板（3）设有多个标准接口，包括外部输入总电源接口（36）、气压信号接口（31、32、33）、位置传感器信号接口（34）、CAN通信接口A（29）及JTAG仿真调试接口A（28），所述标准接口与信号调理电路板模块（2）的相应接头连接。

2.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述DSP处理器模块（1），包括DSP处理器（8）、外扩模数转换器（10）、外扩数模转换器（6）、CAN通信接口A（5）、JTAG仿真调试接口A（7）、模拟量输入接口A（11）、开关量输出接口A（12）、模拟量输出接口B（13）和DSP电源接口（9）；DSP处理器（8）是整个控制器的核心，运行控制策略；JTAG仿真调试接口A（7）用于现场调试和程序下载，CAN通信接口A（5）用于DSP处理器（8）与外部器件通信，输入控制指令和反馈DSP内部状态量；开关量输出接口A（12）采用排线连接方式连接，输出开关量信号；模拟量输入接口A（11）采用排线连接，用于输入模拟量信号；外扩模数转换器（10）接收来自模拟量输入接口A（11）的模拟量信号，转化成数字信号，送入DSP处理器进行控制策略运算，结果得到的控制量从外扩数模转换器（6）转换成模拟电压信号，从模拟量输出接口B（13）输出。

3.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述信号调理电路板模块（2），包括AC-DC电源模块（14）、DC-DC电源模块（15）、DC电源开关接口（16）、开关阀功率放大模块（17）、开关阀控制信号接口A（18）、压力传感器及压力信号调理电路模块（19）、位置传感器信号调理电路及其接口A（20），位置传感器信号调理电路及其接口B（21）、模拟量输出接口A（22）、位置传感器信号调理电路及其接口C（23）、开关量输入接口A（24）、模拟量输入接口A（25）、模拟量输出接口C（26）、AC电源输入接口（27）；AC-DC电源模块（14）接入单相220V交流电源，转换为24V直流电，24V直流电为比例方向阀和高速开关阀供电，24V直流电转换为+5V直流电和±5V直流电，+5为DSP处理器供电，±5V直流电为位移传感器供电；压力传感器连接至控制器标准接口面板（3）的压力信号接口，输出信号经信号调理后，连接至模拟量输出接口B（13）；开关量输入接口A（24）与DSP处理器模块（1）的开关量输出接口A（12）采用ISP排线相连，传输开关阀控制器电压信号，信号传输至信号调理器进行功率放大后驱动开关阀动作，用于控制气源通断，附加起保护作用；模拟量输出接口A（22）与模拟量输入接口A（11）相连接，传送经滤波后的压力传感器输出的压力信号；模拟量输入接口B（25）与DSP处理器模块（1）的模拟量输出接口B（13）相连接，接收到的模拟量信号从模拟量输出接口C（26）输出至控制器标准接口面板（3）的比例方向阀接口组（35），控制比例方向阀。

4.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述控制器标准接口面板（3），包括JTAG仿真调试接口B（28）、CAN通信接口B（29）、开关阀控制信号接口B（30）、气源压力信号接口（31）、气缸无杆腔压力信号接口组（32）、气缸有杆腔压力信号接口组（33）、位置传感器接口组（34）、比例方向阀信号接口组（35）、总电源接口（36）、控制器总电源开关（37）、DSP处理器模块电源开关（38）；气压信号接口均采用气动穿板接头；位置传感器接口组（34）用于连接采集气缸活塞杆的位置信号；开关阀控制信号接口B（30）可同时连接4只开关阀，进行控制阀的开关动作，可用于气源的通断控制；CAN通信接口B（29）、位置传感器接口组（34）和比例方向阀信号接口组（35）均采用航空接头的接口形式，方便电连接，且连接可靠稳定；控制器总电源开关（37）用于控制整台控制器的供电；DSP处理器的电源开关（38）用于DSP处理器（8）的复位操作。

5.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述的控制箱（4）采用塑料外壳，用于安装控制器核心部件，起保护控制器内部元器件作用。

6.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述的信号调理电路板模块（2）与DSP处理器模块（1）通过螺栓连接的机械连接方式连接在一起，信号接口采用ISP排线连接。

7.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述的气压信号接口（31、32、33）采用快接式气动穿板接头。

8.根据权利要求3所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述的压力传感器及压力信号调理电路模块（19）采用电压型压力传感器，直接固定安装在信号调理电路板模块（2）上。

9.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述的标准接口面板模块（3），同时支持三组比例方向阀控双作用气缸对象进行运动轨迹跟踪控制。

10.根据权利要求1所述一种基于DSP的气动位置伺服控制器，其特征在于：所述DSP处理器模块（1）采集来自信号调理电路板模块（2）的信号进行高级气动伺服控制策略运算，实现了基于气动系统复杂非线性模型的自适应鲁棒控制算法，通过实验数据拟合和理论建模配合参数辨识方法建立气动伺服系统的模型，采用BackStepping方法设计控制算法，解决了控制算法设计中的复杂高阶模型的不匹配性问题，把系统按微分方程划分成若干个子系统，分别逐次为子系统设计期望输入值，并使得系统稳定；此外，为系统增加了基于最小二乘法的在线参数辨识功能，实时辨识系统参数，使得系统轨迹跟踪更精确，控制算法包含鲁棒性项，能够抵御不确定性干扰的影响；输出控制信号经控制器标准接口面板（3）传递给外部执行器。