基于STM32的比例閥控氣缸位置伺服控制器*

羅 輝,汪達(dá)軍,舒春輝,杜明澤,吳佳偉,錢鵬飛*

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)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(dòng)化元件有限公司,浙江 寧波 315502)

0 引 言

氣動(dòng)伺服系統(tǒng)憑借其清潔無污染、功率質(zhì)量比大的優(yōu)勢(shì),在工業(yè)自動(dòng)化、食品包裝、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而,氣體介質(zhì)的可壓縮性、摩擦力的非線性等因素,會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的氣缸運(yùn)行不平穩(wěn),從而使得高精度氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的發(fā)展受到了限制[4,5]。

為了提高氣動(dòng)伺服控制的精度,研究人員們?cè)谄淇刂撇呗陨线M(jìn)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(jié)合的方法,對(duì)氣缸進(jìn)行了定位控制研究;相比于傳統(tǒng)的PID算法,模糊PID算法具有更大的優(yōu)勢(shì)。詹長(zhǎng)書等人[7]在MATLAB/Simulink中搭建了氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)的仿真模型,采用具有良好魯棒性的模糊自適應(yīng)PID控制器,進(jìn)行了系統(tǒng)位置控制的仿真研究,達(dá)到了預(yù)期的控制效果。祁佩等人[8]采用改進(jìn)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣動(dòng)力伺服PID控制參數(shù)的在線調(diào)整目的。

然而,由于PID算法自身的魯棒性較差,導(dǎo)致氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制精度受到了影響。為了解決因氣動(dòng)系統(tǒng)中存在非線性因素,導(dǎo)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(jìn)的非線性控制方法。

KIM D等人[9]提出了一種應(yīng)用于氣缸定位伺服系統(tǒng)的魯棒控制方案,進(jìn)行了氣缸閉環(huán)位置控制仿真與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究。錢鵬飛等人[10]提出了一種基于積分滑?？刂破?可實(shí)現(xiàn)自制氣缸高精度軌跡跟蹤控制的方法,對(duì)自制氣缸的控制精度進(jìn)行了研究與評(píng)估。QIAN Peng-fei等人[11]采用剛度最大化的復(fù)合滑?？刂扑惴?實(shí)現(xiàn)了對(duì)電—?dú)怆x合器的高精度控制目的。陶國(guó)良等人[12]采用自適應(yīng)魯棒控制算法,對(duì)所開發(fā)的新型三自由度氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)的位姿軌跡跟蹤控制進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),該控制器具有很強(qiáng)的魯棒性。

然而,先進(jìn)的非線性控制雖能取得對(duì)系統(tǒng)不錯(cuò)的控制效果,但往往需要進(jìn)行復(fù)雜的建模[13]。同時(shí),以上算法通常需要借助計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等工具,不僅增加了開發(fā)成本,操作過程也較為復(fù)雜。

因此,眾多學(xué)者相繼開發(fā)了具有高集成度、低成本的嵌入式控制系統(tǒng),并將其應(yīng)用到氣動(dòng)伺服控制領(lǐng)域中。

目前,主流的3種嵌入式開發(fā)平臺(tái)有:(1)進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器(advanced risc machines,ARM);(2)數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing,DSP);(3)現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)。

SANTOS M P S D等人[14]設(shè)計(jì)了基于FPGA的嵌入式模糊邏輯控制器,并將其應(yīng)用到氣動(dòng)系統(tǒng)中,使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差低于4 μm,使系統(tǒng)的性能提升了16倍。周超超等人[15]開發(fā)了基于DSP的嵌入式氣動(dòng)位置伺服控制器,使用MATLAB/Simulink進(jìn)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(nèi),證明了開發(fā)的伺服控制器的有效性;但通過該算法自適應(yīng)估計(jì)參數(shù)的收斂時(shí)間較長(zhǎng),參數(shù)估計(jì)算法仍存在一定的提升空間。孟凡淦[16]設(shè)計(jì)了一種嵌入式氣動(dòng)伺服控制器,并結(jié)合改進(jìn)的自適應(yīng)魯棒控制算法,對(duì)氣缸進(jìn)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(duì)氣缸進(jìn)行控制的過程較為復(fù)雜。

基于STM32系列芯片,鞠鵬程等人[17]為氣動(dòng)機(jī)械手開發(fā)了一種伺服控制器,并結(jié)合模糊PID控制策略,進(jìn)行了氣動(dòng)機(jī)械手的定位控制研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),模糊PID達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間較常規(guī)PID縮短了33.3%,精度也提升了46.7%;但是該研究?jī)H對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了定位控制,沒有對(duì)軌跡跟蹤控制性能進(jìn)行評(píng)估。

考慮到STM32系列芯片的價(jià)格低、外設(shè)資源豐富、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),筆者基于STM32F103RCT6型號(hào)芯片,研發(fā)一套比例閥控缸氣動(dòng)伺服控制器,并利用該伺服控制器進(jìn)行位置控制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 控制器硬件設(shè)計(jì)

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

為了能夠進(jìn)行氣缸的位置控制、位移傳感器的數(shù)據(jù)采集以及控制算法的實(shí)施,在開發(fā)伺服控制器過程中,筆者從處理速度、存儲(chǔ)容量、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換、串口通信、人機(jī)接口5個(gè)方面分別進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)控制算法對(duì)控制器的處理速度要求不高,但對(duì)于更加復(fù)雜的算法,要求控制器的核心處理器具有較快的信號(hào)處理速度。氣動(dòng)伺服控制器在工作過程中會(huì)進(jìn)行高頻率數(shù)據(jù)采樣,需要有較大的存儲(chǔ)容量(該控制器采用512 KB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,并擴(kuò)展512 KB的快閃存儲(chǔ)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(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)轉(zhuǎn)換電路無法滿足實(shí)際要求,因此,筆者采用ADC和DAC芯片單獨(dú)設(shè)計(jì)兩塊擴(kuò)展電路板。

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

筆者采用液晶顯示屏(LCD)作為人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示電壓信號(hào)及實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù),并通過矩陣按鍵實(shí)現(xiàn)控制算法的選擇、切換及相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置、調(diào)整等功能。

該氣動(dòng)伺服控制器功能板如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)伺服控制器功能板圖

1.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

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

最小系統(tǒng)電路是控制器能夠正常運(yùn)行的最基本電路,其同時(shí)要具備實(shí)現(xiàn)復(fù)位、下載等功能,并在此基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行外設(shè)電路的擴(kuò)展。

該電路主要包括:使各模塊恢復(fù)到最初狀態(tài)的復(fù)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(shí)鐘信號(hào)的晶振電路等。

1.2 主控板外圍硬件電路設(shè)計(jì)

外圍硬件電路需要完成控制器與上位機(jī)之間的通信、算法的選擇以及參數(shù)設(shè)置、界面實(shí)時(shí)顯示等功能。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)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(kuò)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?yōu)殡妷焊?、能夠傳輸更遠(yuǎn)距離的電平,且為點(diǎn)到點(diǎn)的雙向通信,能夠同時(shí)發(fā)送和接收信息。

控制器另外選用CAN-PCA82C250芯片設(shè)計(jì)了CAN總線電路,以便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信,并且能夠屏蔽在試驗(yàn)過程中存在的信號(hào)干擾,保證其工作速度和實(shí)時(shí)性。

LCD采用型號(hào)12864G。其中,4個(gè)按鍵用來實(shí)現(xiàn)LCD的切換、算法的選擇以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。擴(kuò)展電路用于將控制器的主控板與外部電源、擴(kuò)展板與位移傳感器、比例方向閥連接,從而完成相應(yīng)的控制功能[18]。

1.3 擴(kuò)展板電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)伺服控制器對(duì)位移傳感器的電壓輸出進(jìn)行采集的目的,筆者設(shè)計(jì)了AD7606電路。筆者設(shè)計(jì)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(shè)置AD7606在內(nèi)部基準(zhǔn)模式下工作,并在REFIN/REFOUT引腳處連接一個(gè)10 μF的去耦電容;

使用RT9193芯片進(jìn)行電源穩(wěn)壓,輸入電壓為模擬電壓,將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓。

根據(jù)DAC902的電路布局規(guī)則,筆者設(shè)計(jì)的DAC902電路如圖3所示。

圖3 DAC902電路圖

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

筆者采用DAC902作為驅(qū)動(dòng)芯片,為控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)DAC電路以輸出模擬電壓。

筆者所開發(fā)的嵌入式氣動(dòng)位置伺服控制器實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)位置伺服控制器實(shí)物圖

2 控制器軟件設(shè)計(jì)

筆者所開發(fā)的伺服控制器的軟件由嵌入式軟件和上位機(jī)軟件兩部分組成。該伺服控制器可以通過單獨(dú)采用嵌入式軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,也可以與上位機(jī)結(jié)合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在控制器獨(dú)立控制模式下,通過按鍵模塊即可選擇不同的算法,同時(shí)設(shè)定控制參數(shù),以進(jìn)行比例閥控缸的相應(yīng)動(dòng)作;

在控制器—上位機(jī)復(fù)合控制模式下,可在上位機(jī)中直接選擇算法,與控制器主控芯片完成通信,以進(jìn)行具體算法的計(jì)算運(yùn)行。

2.1 嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)

軟件程序設(shè)計(jì)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(fā)環(huán)境Keil MDK下,筆者根據(jù)各模塊的時(shí)序圖,采用C語言編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)代碼。

考慮到PID控制相對(duì)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),且能夠基本滿足實(shí)際需求,因此,筆者采用不基于模型的PID控制算法,對(duì)所研發(fā)的氣動(dòng)伺服控制器進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,以驗(yàn)證其性能。

伺服控制器軟件執(zhí)行流程圖如圖5所示。

圖5 伺服控制器軟件執(zhí)行流程圖

2.2 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能主要包括:串口通信檢測(cè)、氣動(dòng)系統(tǒng)數(shù)量的設(shè)置、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)參數(shù)初始化、控制策略的選擇、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)時(shí)顯示等。

為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)異常的現(xiàn)象,筆者給一些參數(shù)(對(duì)系統(tǒng)有較大影響)設(shè)置了相應(yīng)的閾值,一旦出現(xiàn)所設(shè)置的參數(shù)超出了閾值的范圍,則出現(xiàn)相應(yīng)的提示,并將參數(shù)歸為0。

上位機(jī)軟件在跨平臺(tái)嵌入式軟件編程環(huán)境Qt下,使用Visual C++語言進(jìn)行開發(fā)。

3 氣動(dòng)位置伺服控制實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)基于所開發(fā)伺服控制器的氣缸進(jìn)行位置控制實(shí)驗(yàn)研究,筆者搭建了比例方向閥控氣缸位置伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)由執(zhí)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(fā)的伺服控制器組成。

其中,執(zhí)行元件選擇費(fèi)斯托公司型號(hào)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(fèi)斯托公司型號(hào)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(cè)量?jī)x器選用HERMITT公司型號(hào)為KTC-200的拉桿式直線位移傳感器,實(shí)時(shí)測(cè)量氣缸活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移。

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

氣缸位置伺服系統(tǒng)氣動(dòng)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 比例閥控缸位置伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證氣動(dòng)位置伺服控制器的有效性,筆者分別對(duì)氣缸進(jìn)行定位控制和軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)過程中,由伺服控制器實(shí)時(shí)采集位移傳感器中的活塞位置信息,并采用PID算法,計(jì)算出比例方向閥電壓的控制量,以實(shí)現(xiàn)氣缸進(jìn)行預(yù)期運(yùn)動(dòng)的目的。

實(shí)驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段:(1)對(duì)氣缸進(jìn)行定位控制;(2)對(duì)氣缸進(jìn)行軌跡跟蹤控制。

3.2.1 定位控制

首先,筆者設(shè)置比例閥的上游壓力為0.3 MPa,系統(tǒng)采樣頻率為250 Hz;設(shè)定氣缸活塞期望位置為40 mm;PID控制參數(shù)采用試湊法進(jìn)行調(diào)節(jié),3個(gè)參數(shù)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(jié)果如圖8所示。

圖8 40 mm期望位置的定位控制結(jié)果

根據(jù)圖8可以看出:定位控制僅有一個(gè)較小的超調(diào)量,約為2 mm,達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.2 s,穩(wěn)態(tài)誤差約為0.3 mm,控制精度良好。

上述結(jié)果初步證明了所開發(fā)的控制器是可行的。

3.2.2 軌跡跟蹤

其次,筆者調(diào)節(jié)供氣壓力為0.3 MPa,設(shè)置采樣頻率為250 Hz;使氣缸分別跟蹤信號(hào)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(shù)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(yùn)動(dòng)軌跡結(jié)果如圖9所示。

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

跟蹤頻率為0.25 Hz的參考運(yùn)動(dòng)軌跡結(jié)果如圖10所示。

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

根據(jù)圖(9,10)可以看出:

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

同時(shí),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(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)誤差較大,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)跟蹤精度良好。

以上結(jié)果再一次表明,所開發(fā)的氣動(dòng)位置伺服控制器是有效的。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的工控機(jī)控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有體積大、成本高、功耗高等缺點(diǎn)。為此,筆者研發(fā)了一套應(yīng)用于比例閥控缸系統(tǒng)的氣動(dòng)伺服控制器。

筆者選擇意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6型號(hào)芯片作為控制器的核心處理器,采用傳統(tǒng)PID控制算法,對(duì)閥控缸系統(tǒng)進(jìn)行定位控制和軌跡跟蹤研究。

研究結(jié)論如下:

(1)該嵌入式氣動(dòng)位置伺服控制器能夠簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)氣缸的位置控制;用在進(jìn)行定位控制時(shí),其超調(diào)量較小,達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間較短,能夠滿足常規(guī)的定位控制要求;

(2)該氣動(dòng)伺服控制器能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸良好的控制精度;在進(jìn)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(jī)控制系統(tǒng)得到的精度相近,表明所開發(fā)的氣動(dòng)伺服控制器是有效的。

雖然傳統(tǒng)的PID算法能夠適用于所開發(fā)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(yīng)魯棒等先進(jìn)控制算法,以達(dá)到更高精度的氣動(dòng)伺服控制的目的。