基于LabVIEW和TMS320F2812的液壓伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外電子液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)發(fā)展了3種不同控制方式：電液伺服閥控制、采用具有速度控制器的壓力閥控制和寬流量范圍的比例閥控制。電液倒服控制技術(shù)作為現(xiàn)代微電予技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要組成部分。采用電液伺服閥控制的電子液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)除了控制技術(shù)外，還采用高精度力與位移傳感器的測(cè)量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)采集處理等技術(shù)，在功能上達(dá)到甚至超過(guò)了電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，尤其是在大負(fù)荷液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上具有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，廣泛應(yīng)用于汽車構(gòu)架的靜載、動(dòng)載和疲勞等材料的各種性能試驗(yàn)中。

　　本文在電液伺服控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)基于LabVIEW和TMS320F2812的液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，本系統(tǒng)利用圖形化編程工具LabVIEW軟件編寫的上位機(jī)人機(jī)界面具有易于操作，便于維護(hù)等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP中的TMS320F2812作為核心處理器的實(shí)時(shí)控制器，該控制器外擴(kuò)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和12位數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，達(dá)到了系統(tǒng)的精度要求。

　　2 液壓伺服控制系統(tǒng)的組成

　　本文設(shè)計(jì)的電液伺服系統(tǒng)分為以高速數(shù)字處理器DSP為核心的集信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、控制、轉(zhuǎn)換等于一身的實(shí)時(shí)控制器和利用圖形化編程工具LabVIEW軟件編寫的人機(jī)界面兩大部分。該系統(tǒng)利用串行通信口將試驗(yàn)機(jī)的操作者通過(guò)人機(jī)界而發(fā)出的各種控制命令發(fā)送到實(shí)時(shí)控制器，實(shí)時(shí)控制器按命令完成一系列操作并將液壓伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)通過(guò)串行通信口送到PC機(jī)，并在PC機(jī)上的人機(jī)界面上顯示。該系統(tǒng)如圖1所示。

　　3 上位機(jī)人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 LabVIEW簡(jiǎn)介

　　上位機(jī)人機(jī)界面軟件采用LabVIEW，他是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laborator Virtual Instrument Engineering Workbenth)的簡(jiǎn)稱，LabVIEW采用G語(yǔ)言為其編程語(yǔ)言。G語(yǔ)言是一種適合應(yīng)用于任何編程任務(wù)，具有擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)的通用編程語(yǔ)言。和C語(yǔ)言等語(yǔ)言一樣，G語(yǔ)言定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)言的基本要素，在功能完整性和應(yīng)用靈活性上不遜色于任何高級(jí)語(yǔ)言。G語(yǔ)言與傳統(tǒng)高級(jí)編程語(yǔ)言最大的差別在于編程方式，一般高級(jí)語(yǔ)言采用文本編程，而G語(yǔ)言采用圖形化編程方式。

　　3.2 上位機(jī)人機(jī)界面功能介紹

　　上位機(jī)軟件功能框圖如圖2所示。

　　3.2.1 通信子模塊

　　通信子模塊包括信息的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送兩部分。信息接收功能是指上位機(jī)通過(guò)串口接收由下位機(jī)反饋回來(lái)的命令信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)和反饋信號(hào)，供上位機(jī)顯示和保存用。數(shù)據(jù)發(fā)送功能則是上位機(jī)通過(guò)串口以一定的協(xié)議發(fā)送幀信息，這些信息將包括所有對(duì)下位機(jī)的控制命令。

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　　3.2.2 系統(tǒng)設(shè)置模塊

　　系統(tǒng)設(shè)置模塊簡(jiǎn)單介紹標(biāo)定與控制參數(shù)設(shè)定這兩部分。

　　標(biāo)定部分主要是根據(jù)載荷傳感器，位移傳感器等不同傳感器之間性能參數(shù)的不同而進(jìn)行的零點(diǎn)、增益、量程的標(biāo)定，從而為不同的控制方式提供參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　控制參數(shù)設(shè)定包括控制方式的選擇，試驗(yàn)類型，限制值等參數(shù)的設(shè)置。

　　控制方式分為3種：位移控制、行程控制和載荷控制。這3種不同的控制方式所連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都要經(jīng)過(guò)由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的工作過(guò)程，所以必須在靜態(tài)時(shí)設(shè)置其靜態(tài)初始值，同時(shí)規(guī)定其上下限值，超出這一范圍系統(tǒng)都要強(qiáng)行停機(jī)。實(shí)驗(yàn)類型分為常規(guī)，擬動(dòng)力，疲勞，隨機(jī)波等。

　　液壓伺服控制系統(tǒng)的正常工作是在各種不同模擬信號(hào)波形的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的，這就要求上位機(jī)設(shè)置這些波形的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以供下位機(jī)軟件產(chǎn)生這些波形。以正弦波為例，正弦波的幅值，頻率以及重復(fù)次數(shù)，位于第幾譜塊等參數(shù)都要通過(guò)幀協(xié)議發(fā)送給下位機(jī)。

　　上位機(jī)也要將PID控制的P，I，D參數(shù)發(fā)送給下位機(jī)，由于這些參數(shù)都是浮點(diǎn)型，而DSP2812只能處理定點(diǎn)數(shù)據(jù)，所以上位機(jī)需要在發(fā)送數(shù)據(jù)前將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)，以便下位機(jī)識(shí)別。

　　上位機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)操作界面如圖3所示。

　　3.2.3 狀態(tài)顯示模塊

　　示波器部分主要顯示通道命令、通道載荷和通道位移等曲線。

　　數(shù)據(jù)生成與保存是將試驗(yàn)的一些參數(shù)包括通道分配、控制方式、系統(tǒng)標(biāo)定的數(shù)據(jù)、載荷譜等數(shù)據(jù)保存在不同的文件中。

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　　4 實(shí)時(shí)控制器的設(shè)計(jì)

　　4.1 實(shí)時(shí)控制器硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，主要包括模擬信號(hào)輸入接口電路、信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)鐘與復(fù)位電路、電源轉(zhuǎn)換電路、外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、數(shù)據(jù)通信接口電路、功率放大等部分。

　　本文采用DSP2812自帶外設(shè)ADC完成對(duì)信號(hào)的采集，同時(shí)外擴(kuò)了一片64 kB RAM芯片ISLV6416存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，一片DAC7625芯片用以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)經(jīng)功率放大后輸出。

　　4.1.1 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

　　外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用ISSI公司的ISLV6416芯片，ISLV6416是一片64 k