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采用DSP和STM32的双核智能电液伺服控制器

2014-11-24 15:42
龙凰
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  伺服控制系统大部分都采用传统的硬件结构,控制算法比较固定,而且也无法实现不同工况下的高性能控制算法,难以满足现代工业的需求。现阶段迫切需要研制一种智能型、具有高可靠性、控制性能更加优秀的电液伺服系统。基于DSP与STM32的智能型伺服控制器具有软硬件结合程度更加紧密、系统的智能化程度更高、可实现多种控制策略的优势。本系统从实际的需求出发,结合精确数字PID控制算法和Fuzzy控制算法自身的优势,组合成Fuzzy-PID控制算法,根据偏差的大小范围选择合适的控制算法进行调节。

  本设计将两款工控芯片—TI公司的浮点型DSP TMS320F28335和ST公司的ARM7升级版STM32F103RET6引入智能电液伺服系统,设计了基于DSP与STM32的智能型伺服控制器,使电液控制技术进一步朝向数字化、集成化、智能化、轻量化、高精度、高可靠性、节能降耗的方向持续发展。

  1 硬件设计

  1.1 硬件总体结构

  本系统硬件主要由STM32F103RET6和TMS320F28335两部分组成。STM32F103RET6主要控制外围电路,包括输入信号调理模块、输出信号调理模块、A/D和D/A转换模块、硬件自检测电路模块、触摸屏控制模块、故障报警模块;DSP芯片TMS320F28335主要完成算法的计算与以太网通信,包括外扩SRAM模块、DM9000A以太网通信模块、EEPROM存储模块。两者通过SPI进行数据通信,包括各种参数、控制输出量等。显示模块采用5.7寸电阻式触摸屏,用于显示各部分的工作状态及运行情况,完成控制器各种参数的在线设定等人机交互。其硬件结构如图1所示。

采用DSP和STM32的双核智能电液伺服控制器

  1.2 I/U变换电路

  由于指令输入信号和反馈信号都是4~20 mA直流信号,所以需要将其转换成STM32F103RET6的A/D转换器可接受的0~3 V直流电压信号。图2为I/U变换电路。

采用DSP和STM32的双核智能电液伺服控制器

  电阻R25输入一个“-2.5 V”参考电压,由“虚断”可知,经过R25和R26电阻分压后,在“1”点的电压为:

采用DSP和STM32的双核智能电液伺服控制器

  所以U1=-0.1 V。由“虚短”可知,“2”点的电压U2=U1=-0.1 V,所以当4~20 mA电流信号输入后,“3”点的电压U3=I×(R14+R16)-0.1,即U3=0.025×I-0.1。当I=4 mA时,U3=0 V;当I=20 mA时,U3=0.4 V,这样就完成了4~20 mA到0~0.4 V的电流/电压转换。后级运放为同相比例运算放大器,放大倍数:

采用DSP和STM32的双核智能电液伺服控制器

  所以输出电压公式为UO=7.5×U3。当输入为4 mA时,UO=0 V;当输入为20 mA时,UO=7.5×0.4=3 V.经过两级运放,完成了从4~20 mA电流信号向0~3 V电压信号的转换。

  1.3 U/I变换电路

  STM32F103RET6的D/A转换输出为0~3 V的直流电压信号,要想驱动伺服阀,必须通过U/I变换,转变成4~20 mA直流电流信号,如图3所示。

采用DSP和STM32的双核智能电液伺服控制器

  由图3可知,I0≈I3由“虚断”和“虚短”可知:

  其中,0≤V1≤3V,由于电阻阻值有误差,为了保证电路能从0~3 V转换为4~20 mA,特意将电阻R44设置为200 Ω的滑动变阻器,用以弥补电阻阻值误差带来的影响。

采用DSP和STM32的双核智能电液伺服控制器

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