基于STM32的比例閥控氣缸位置伺服控制器*

羅 輝,汪達軍,舒春輝,杜明澤,吳佳偉,錢鵬飛*

(1.江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮江 212013;2.星宇電子(寧波)有限公司,浙江 寧波 315514;3.寧波市鑫潮自動化元件有限公司,浙江 寧波 315502)

0 引 言

氣動伺服系統憑借其清潔無污染、功率質量比大的優勢,在工業自動化、食品包裝、醫療器械等領域得到了廣泛的應用[1-3]。然而,氣體介質的可壓縮性、摩擦力的非線性等因素,會導致氣動伺服系統的氣缸運行不平穩,從而使得高精度氣動伺服系統的發展受到了限制[4,5]。

為了提高氣動伺服控制的精度,研究人員們在其控制策略上進行了不斷的探索。

CAI Shi-bo等人[6]采用模糊控制與比例-積分-微分(proportion integration differentiation,PID)控制相結合的方法,對氣缸進行了定位控制研究;相比于傳統的PID算法,模糊PID算法具有更大的優勢。詹長書等人[7]在MATLAB/Simulink中搭建了氣動位置伺服系統的仿真模型,采用具有良好魯棒性的模糊自適應PID控制器,進行了系統位置控制的仿真研究,達到了預期的控制效果。祁佩等人[8]采用改進的徑向基函數神經網絡整定PID參數的方法,實現了對氣動力伺服PID控制參數的在線調整目的。

然而,由于PID算法自身的魯棒性較差,導致氣動伺服系統的控制精度受到了影響。為了解決因氣動系統中存在非線性因素,導致氣缸控制精度不高的問題,研究人員們相繼提出了一些先進的非線性控制方法。

KIM D等人[9]提出了一種應用于氣缸定位伺服系統的魯棒控制方案,進行了氣缸閉環位置控制仿真與實驗的對比研究。錢鵬飛等人[10]提出了一種基于積分滑模控制器,可實現自制氣缸高精度軌跡跟蹤控制的方法,對自制氣缸的控制精度進行了研究與評估。QIAN Peng-fei等人[11]采用剛度最大化的復合滑?？刂扑惴?實現了對電—氣離合器的高精度控制目的。陶國良等人[12]采用自適應魯棒控制算法,對所開發的新型三自由度氣動并聯平臺的位姿軌跡跟蹤控制進行了研究,結果發現,該控制器具有很強的魯棒性。

然而,先進的非線性控制雖能取得對系統不錯的控制效果,但往往需要進行復雜的建模[13]。同時,以上算法通常需要借助計算機、工控機等工具,不僅增加了開發成本,操作過程也較為復雜。

因此,眾多學者相繼開發了具有高集成度、低成本的嵌入式控制系統,并將其應用到氣動伺服控制領域中。

目前,主流的3種嵌入式開發平臺有:(1)進階精簡指令集機器(advanced risc machines,ARM);(2)數字信號處理器(digital signal processing,DSP);(3)現場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)。

SANTOS M P S D等人[14]設計了基于FPGA的嵌入式模糊邏輯控制器,并將其應用到氣動系統中,使系統穩態誤差低于4 μm,使系統的性能提升了16倍。周超超等人[15]開發了基于DSP的嵌入式氣動位置伺服控制器,使用MATLAB/Simulink進行了圖形化編程,并將生成的C語言代碼嵌入到了控制器中,使氣缸的軌跡跟蹤誤差控制在5%以內,證明了開發的伺服控制器的有效性;但通過該算法自適應估計參數的收斂時間較長,參數估計算法仍存在一定的提升空間。孟凡淦[16]設計了一種嵌入式氣動伺服控制器,并結合改進的自適應魯棒控制算法,對氣缸進行了位置伺服控制研究,獲得了較好的控制精度;但該控制器所提供的指令功能不夠豐富,使用該伺服控制器對氣缸進行控制的過程較為復雜。

基于STM32系列芯片,鞠鵬程等人[17]為氣動機械手開發了一種伺服控制器,并結合模糊PID控制策略,進行了氣動機械手的定位控制研究,結果發現,模糊PID達到穩態時間較常規PID縮短了33.3%,精度也提升了46.7%;但是該研究僅對機械手進行了定位控制,沒有對軌跡跟蹤控制性能進行評估。

考慮到STM32系列芯片的價格低、外設資源豐富、實時性強等優勢,筆者基于STM32F103RCT6型號芯片,研發一套比例閥控缸氣動伺服控制器,并利用該伺服控制器進行位置控制的相關實驗研究。

1 控制器硬件設計

此處,筆者研究的閥控缸氣動位置伺服系統主要由比例方向閥、氣缸和位移傳感器組成。

為了能夠進行氣缸的位置控制、位移傳感器的數據采集以及控制算法的實施,在開發伺服控制器過程中,筆者從處理速度、存儲容量、模擬/數字轉換、串口通信、人機接口5個方面分別進行總體設計。

傳統控制算法對控制器的處理速度要求不高,但對于更加復雜的算法,要求控制器的核心處理器具有較快的信號處理速度。氣動伺服控制器在工作過程中會進行高頻率數據采樣,需要有較大的存儲容量(該控制器采用512 KB的靜態隨機存取存儲器,并擴展512 KB的快閃存儲器)。

由于此處所使用的比例方向閥的控制電壓范圍為0～10 V,而微處理器中自帶的模數轉換器(analog to digital converter,ADC)和數模轉換器(digital to analog converter,DAC)轉換電路無法滿足實際要求,因此,筆者采用ADC和DAC芯片單獨設計兩塊擴展電路板。

筆者選用九針串口(EIA-RS-232,RS232)和控制器局域網總線(controller area network,CAN)兩種通信方式,完成控制器與上位機的通信功能。

筆者采用液晶顯示屏(LCD)作為人機界面實時顯示電壓信號及實驗相關數據,并通過矩陣按鍵實現控制算法的選擇、切換及相應參數的設置、調整等功能。

該氣動伺服控制器功能板如圖1所示。

圖1 氣動伺服控制器功能板圖

1.1 最小系統電路設計

基于上述分析,筆者選用意法半導體公司型號為STM32F103RCT6芯片作為嵌入式氣動伺服控制器的核心處理器。

最小系統電路是控制器能夠正常運行的最基本電路,其同時要具備實現復位、下載等功能,并在此基礎上能夠進行外設電路的擴展。

該電路主要包括:使各模塊恢復到最初狀態的復位電路、為各模塊供電的電源電路以及提供保證微處理器正常工作的基本時鐘信號的晶振電路等。

1.2 主控板外圍硬件電路設計

外圍硬件電路需要完成控制器與上位機之間的通信、算法的選擇以及參數設置、界面實時顯示等功能。對此,筆者設計的控制器主控板外圍硬件電路部分主要包括:RS232電路、CAN總線電路、LCD電路、矩陣按鍵電路和擴展電路。

其中,RS232電路采用SP3232E芯片,將處理器的晶體管—晶體管邏輯電平變為電壓更高、能夠傳輸更遠距離的電平,且為點到點的雙向通信,能夠同時發送和接收信息。

控制器另外選用CAN-PCA82C250芯片設計了CAN總線電路,以便于實現多機通信,并且能夠屏蔽在試驗過程中存在的信號干擾,保證其工作速度和實時性。

LCD采用型號12864G。其中,4個按鍵用來實現LCD的切換、算法的選擇以及相關參數的設定。擴展電路用于將控制器的主控板與外部電源、擴展板與位移傳感器、比例方向閥連接,從而完成相應的控制功能[18]。

1.3 擴展板電路設計

為了實現伺服控制器對位移傳感器的電壓輸出進行采集的目的,筆者設計了AD7606電路。筆者設計的AD7606電路圖如圖2所示。

圖2 AD7606電路圖

AD7606芯片是一具有8通道、16位同步采樣的芯片,該芯片可通過RANGE引腳選擇±10 V或±5 V的輸入范圍;

設置AD7606在內部基準模式下工作,并在REFIN/REFOUT引腳處連接一個10 μF的去耦電容;

使用RT9193芯片進行電源穩壓,輸入電壓為模擬電壓,將其轉換成數字電壓。

根據DAC902的電路布局規則,筆者設計的DAC902電路如圖3所示。

圖3 DAC902電路圖

氣動位置伺服系統的控制元件為比例方向閥,通過對比例方向閥施加控制電壓,即可控制氣缸的運動(比例方向閥的控制電壓范圍為0～10 V)。

筆者采用DAC902作為驅動芯片,為控制器設計了一個DAC電路以輸出模擬電壓。

筆者所開發的嵌入式氣動位置伺服控制器實物圖如圖4所示。

圖4 氣動位置伺服控制器實物圖

2 控制器軟件設計

筆者所開發的伺服控制器的軟件由嵌入式軟件和上位機軟件兩部分組成。該伺服控制器可以通過單獨采用嵌入式軟件對系統進行控制,也可以與上位機結合對系統進行控制。

在控制器獨立控制模式下,通過按鍵模塊即可選擇不同的算法,同時設定控制參數,以進行比例閥控缸的相應動作;

在控制器—上位機復合控制模式下,可在上位機中直接選擇算法,與控制器主控芯片完成通信,以進行具體算法的計算運行。

2.1 嵌入式軟件實現

軟件程序設計采用模塊化的方法。軟件程序功能模塊主要包括:RS232模塊、LCD液晶模塊、矩陣按鍵模塊、AD7606模塊、DAC902模塊。

在集成開發環境Keil MDK下,筆者根據各模塊的時序圖,采用C語言編寫相應的驅動代碼。

考慮到PID控制相對簡單,易于實現,且能夠基本滿足實際需求,因此,筆者采用不基于模型的PID控制算法,對所研發的氣動伺服控制器進行相關實驗研究,以驗證其性能。

伺服控制器軟件執行流程圖如圖5所示。

圖5 伺服控制器軟件執行流程圖

2.2 上位機軟件實現

上位機所實現的功能主要包括:串口通信檢測、氣動系統數量的設置、氣動伺服系統參數初始化、控制策略的選擇、數據實時存儲、實驗曲線實時顯示等。

為了防止系統出現異常的現象,筆者給一些參數(對系統有較大影響)設置了相應的閾值,一旦出現所設置的參數超出了閾值的范圍,則出現相應的提示,并將參數歸為0。

上位機軟件在跨平臺嵌入式軟件編程環境Qt下,使用Visual C++語言進行開發。

3 氣動位置伺服控制實驗

為了對基于所開發伺服控制器的氣缸進行位置控制實驗研究,筆者搭建了比例方向閥控氣缸位置伺服系統實驗平臺。

3.1 實驗平臺搭建

該實驗平臺系統由執行氣缸、比例方向控制閥、直線位移傳感器、氣罐、精密減壓閥、氣源和自行開發的伺服控制器組成。

其中,執行元件選擇費斯托公司型號為DSBC-32-160-PPVA-N3的雙作用單桿氣缸,缸徑為32 mm,行程為160 mm;控制元件采用費斯托公司型號為MPYE-5-1/8-LF-010-B的比例方向閥,用于控制壓縮氣體的流量與流向;測量儀器選用HERMITT公司型號為KTC-200的拉桿式直線位移傳感器,實時測量氣缸活塞運動時的位移。

伺服控制器外接ADC和DAC擴展板,其中,位移傳感器的輸出信號線連接ADC板上的模擬輸入端口,比例方向閥的輸入信號線連接DAC板中的模擬輸出端口。

氣缸位置伺服系統氣動原理如圖6所示。

圖6 比例閥控缸位置伺服控制原理圖

氣缸位置伺服系統實驗裝置如圖7所示。

圖7 比例閥控缸位置伺服控制實驗平臺

3.2 實驗及結果分析

為了驗證氣動位置伺服控制器的有效性,筆者分別對氣缸進行定位控制和軌跡跟蹤實驗研究。

實驗過程中,由伺服控制器實時采集位移傳感器中的活塞位置信息,并采用PID算法,計算出比例方向閥電壓的控制量,以實現氣缸進行預期運動的目的。

實驗主要分為兩個階段:(1)對氣缸進行定位控制;(2)對氣缸進行軌跡跟蹤控制。

3.2.1 定位控制

首先,筆者設置比例閥的上游壓力為0.3 MPa,系統采樣頻率為250 Hz;設定氣缸活塞期望位置為40 mm;PID控制參數采用試湊法進行調節,3個參數Kp、Ki、Kd分別選取為1.05、0.005、0.001。

40 mm期望位置的定位控制結果如圖8所示。

圖8 40 mm期望位置的定位控制結果

根據圖8可以看出:定位控制僅有一個較小的超調量,約為2 mm,達到穩態的調節時間約為0.2 s,穩態誤差約為0.3 mm,控制精度良好。

上述結果初步證明了所開發的控制器是可行的。

3.2.2 軌跡跟蹤

其次,筆者調節供氣壓力為0.3 MPa,設置采樣頻率為250 Hz;使氣缸分別跟蹤信號為x(t)=[50sin(πt-0.5π)+70]mm和x(t)=[50sin(0.5πt-0.5π)+70]mm的兩條正弦參考軌跡。

控制參數選取如下:Kp=0.115,Ki=0.004 8,Kd=0.48。

跟蹤頻率為0.5 Hz的參考運動軌跡結果如圖9所示。

圖9 x(t)=[50sin(πt-0.5π)+70]mm參考信號的軌跡跟蹤結果

跟蹤頻率為0.25 Hz的參考運動軌跡結果如圖10所示。

圖10 x(t)=[50sin(0.5πt-0.5π)+70]mm參考信號的軌跡跟蹤結果

根據圖(9,10)可以看出:

在跟蹤頻率為0.5 Hz的參考軌跡時,軌跡跟蹤最大誤差約為4.6 mm;在跟蹤頻率為0.25 Hz的參考軌跡時,軌跡跟蹤最大誤差約為3.1 mm;

同時,0.25 Hz的軌跡跟蹤精度比0.5 Hz的跟蹤精度更好,且跟蹤兩條參考軌跡僅在剛開始運動時系統誤差較大,達到穩態后系統跟蹤精度良好。

以上結果再一次表明,所開發的氣動位置伺服控制器是有效的。

4 結束語

傳統的工控機控制系統或計算機控制系統具有體積大、成本高、功耗高等缺點。為此,筆者研發了一套應用于比例閥控缸系統的氣動伺服控制器。

筆者選擇意法半導體公司生產的STM32F103RCT6型號芯片作為控制器的核心處理器,采用傳統PID控制算法,對閥控缸系統進行定位控制和軌跡跟蹤研究。

研究結論如下:

(1)該嵌入式氣動位置伺服控制器能夠簡單方便地實現氣缸的位置控制;用在進行定位控制時,其超調量較小,達到穩態的調節時間較短,能夠滿足常規的定位控制要求;

(2)該氣動伺服控制器能夠實現氣缸良好的控制精度;在進行軌跡跟蹤控制的研究中,跟蹤正弦參考軌跡的最大跟蹤精度與采用工控機控制系統得到的精度相近,表明所開發的氣動伺服控制器是有效的。

雖然傳統的PID算法能夠適用于所開發的伺服控制器,但其魯棒性較差。因此,在未來的研究工作中,筆者將采用滑模、自適應魯棒等先進控制算法,以達到更高精度的氣動伺服控制的目的。