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电液伺服系统嵌入式数字控制器
1．数字式电液伺服装置
数字式电液伺服装置由基于嵌入式伺服放大器的电液伺服阀、嵌人式控制器、角位置传感器、伺服阀诊断与动压反馈集成块、液压系统等部分组成。数字式电液伺服装置的液压系统如图32所示。
双联泵3由电动机1驱动，液压泵压出的油液经精过滤器8到电液伺服阀9。系统的压力由溢流阀6.1调定。当系统的压力达到卸荷阀5的控制压力(大约低于溢流阀6.1的调定压力0.3MPa)时，卸荷阀5接通油路，双联泵3的第一级泵压出的油流回油箱。如果系统的压力下降至比溢流阀6.1的调定压力大约低0.5MPa时，卸荷阀5关闭，双联泵的第一级又自动恢复向系统供油。电液伺服阀9根据输入信号大小来控制工作缸11的动作。伺服阀输出油口前装有一对液控单向阀10，当系统压力意外失落时，单向阀10关闭工作缸进出口油路，液压缸的活塞被油液锁住，与之连接的输出轴则在原位不动，防止系统产生误动作。
在电动机1关闭时，该系统能用手动泵17人工泵油以驱动工作缸动作，其动作方向由三位四通手动换向阀16确定。
2．嵌入式控制器的功能和特点
对象和负载的变化会导致液压控制系统参数和结构的变化，而传统的模拟液压伺服装置调整范围有限，无法实现复杂的现场整定，因此其控制器只能是一种根据不同对象而专门设计、任务专一、缺乏柔性硬件，因此使用不便。维护困难这种状况严重阻碍了液压伺服系统的普及应用。
嵌入式数字控制器组成框图如图33所示。
嵌入式数字控制器的功能和特点有：
(1)数字式、一体化采用嵌入式计算机和嵌入式操作系统VxWorks，实现了伺服控制器的数字化及与伺服装置的一体化。
(2)工作模式具有程序控制和微压力反馈控制模式两种任选模式。
(3)柔性设置可实现面向用户的分段程序设定、数字PID设定、工作模式设定、传感器设定、斜坡时间设定等功能。
(4)控制算法具有数字PID、神经网络PID算法、模型跟踪算法、滞环补偿算法和数字滤波算法。
(5)远程数据通信具有工业以太网和PROFIBUS通口，可实现车间级和厂级的网络控制。
(6)自诊断具有跟踪精度自动测试、阀诊断、通道诊断等自诊断功能，诊断结果可通过工业网络实现远程传送。
3．硬件配置
嵌入式数字控制器的硬件平台为EC31541CLDNA型单板机，该单板机CPU采用
美国国民半导体公司的低功耗整合型处理器GeodeGX1。GeodeGX1运行时不用散热风扇，提高了系统的稳定性和可靠性。单板机主频为200MHz，具有128MB、RAM、16MB DiskonChip电子盘。利用该单板机已有的PC/104总线，可以扩充PC/104总线的数据采集模块HT 7484。
(1)嵌入式数字控制器数据采集模块指标。
1) A/D性能。单端16路A/D，转换时间为10s，12位A/D分辨率，转换芯片是AD774;单极性时输入量程为0～5v或0～10V，双极性时输入量程为±2.5、±5、±10V，软件查询工作方式。
2) D/A性能。独立4路输出，输出信号范围为0～5v或0～10、±5、±10V。D/A转换分辨率：12位，转换芯片是DAC7625； D/A转换时间≤1s电流输出方式负载能力为4～20mA/每路。
3) DI/DO性能。16路TTI电平开关量输入/输出，范围是0～5v。
(2)通信接口。嵌入式数字控制器通信接口是利用西门子的ASPC3实现了PROFI-BUS DP现场总线接口，Realtek的网络芯片RTI8139实现工业以太网接口。RTI8139芯片遵循IEEE 802.3标准协议，它集成了介质访问控制子层(MAC)和物理层的功能，可以方便地和MCU系统进行接口。
4．软件操作系统
嵌入式控制器的操作系统选用VxWorks。其主要组成部分为：实时操作系统内核、I/O系统、文件系统、板级支持包、网络设施、目标代理和实用库。
VxWorks嵌入式操作系统是一个高性能、可裁减的实时操作系统。它支持包括x86、POWERPC、SPARC、ARM、MIPS等几乎所有流行的CPU，适用于不同的硬件平台，支持应用程序的动态链接和动态下载，适应于恶劣的运行环境等特点。VxWorks的微内核Wind是一个具有较高性能的、标准的嵌入式实时操作系统内核，其主要特点包括：快速多任务切换、抢占式任务调度、任务间通信手段多样化等。该内核具有任务间切换时间短、中断延迟小、网络流量大等特点，与其他嵌入式实时操作系统相比具有一定的优势。VxWorks对其他网络和TCP/IP网络系统的“透明”访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口，远程过程调用(RPC)、SNMP、远程文件访问以及B(X) TP和ARP代理。
5．嵌入式数字控制器的软件模块及功能
软件设计采用自顶向下的层次结构法和自底向上的程序编制法。层次结构的关系是一种树状结构的从属关系，即上层模块只能控制下层模缺的执行权。它包括主程序块、控制程序块、监测程序块、阀诊断程序块。通过面向用户的触摸式程序界面，分别可以实现“微压差控制及工艺矩阵设置”、“程序控制及目标曲线设定”、“PID参数设置”、“控制算法选择”、“传感器选择设置”、“斜坡设定”、“伺服阀特性自诊断”、“位置跟踪特性自诊断”、“通道测试”等功能。系统软件模块功能结构如图34所示。
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