一种基于DSP的气动位置伺服控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于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。本发明专利技术执行速度快，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有的技术缺陷和不足，本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术包括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，本专利技术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、本专利技术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、本专利技术采用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处理器的硬本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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D...

【专利技术属性】
技术研发人员：周超超，陶国良，尚策，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33