液压拉深机的嵌入式控制系统设计.pdf

2 0 1 2年 l 0月 第4 0卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S 0c t ． 2 0 l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 0 ． 0 3 5 液压拉深机的嵌入式控制 系统设计 张文杰 ，叶峰 ，王坤 1 ．广州 日滨科技发展 有限公 司，广 东广州 5 1 0 6 6 0 ；2 ．华南理工大学，广东广州 5 1 0 6 4 0； 3 ．广州城建职业学院，广 东广州 5 1 0 9 2 5 摘要针对传统液压拉深机的计算机数控改造需求，构建了一个高性能的实时嵌入式控制系统。该系统硬件采取多种 抗干扰措施，软件具有友好的人机界面和便利的工艺数据库管理功能。对嵌入式控制 系统的硬件设计方法 、驱动程序开 发、控制软件开发 、液压伺服控制方法等关键问题进行了探讨。测试结果表明，该控制系统能够充分满足液压拉深机复杂 工艺的控制要求。 关键词液压拉深机；嵌入式控制；Wi n d o w s C E ． N E T 中图分类 号 T M5 7 1 ． 4 ；T B 4 8 6． 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 01 1 6 4 Emb e dd e d Co n t r o l S y s t e m De s i g n f o r Hy dr a u l i c De e p Dr a wi ng Pr e s s Z HA NG We n i i e 。 ，YE F e n g 2 ，WA NG K u n ’ 1 ． G u a n g z h o u R o p e n T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 6 0 ，C h i n a ； 2 ． S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ， G u a n g z h o u Gu a n g d o n g 5 1 0 6 4 0， C h i n a ； 3 ． G u a n g z h o u C i t y C o n s t r u c t i o n C o l l e g e ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 9 2 5 ，C h i n a A b s t r a c t Wi t h t h e a i m o f r e n o v a t i n g t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c d e e p d r a w i n g p r e s s b y c o mp u t e r n u m e ri c al c o n t r o l C N C t e c h n o l o g y ， a h i g h p e r f o r ma n c e r e a l - t i me e mb e d d e d c o n t r o l s y s t e m w a s c o n s t r u c t e d ． S o me a n t i i n t e rf e ren c e me a s u r e s w e re a p p l i e d t o h a r d wa r e d e s i g n o f t h i s s y s t e m；a n d t h e s o f t w a r e w a s p r o g r a mm e d w i t h f ri e n d l y H u ma n Ma c h i n e I n t e rf a c e H MI a n d c o n v e n i e n t p r o c e s s d a t a b a s e ma n a g e me n t ． Ha w are d e s i g n me t h o d f o r t h e e mb e d d e d c o n t r o l s y s t e m，d e v e l o p me n t o f d r i v e r p r o gra mmi n g ，s o f t w are p rogra mmi n g ， h y d r a u ma t i c s e r v o c o n t r o l alg o r i t h ms and o t h e r k e y i s s u e s w e r e i n v e s t i g a t e d ．E x p e r i me n t al r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h i s c o n t r o l s y s t e m c a n f u l l y me e t w i t h t h e c o n t r o l o p e r a t i o n n e e d o f c o mp l e x p r o c e s s f o r t h e d r a w i n g p r e s s ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c d e e p d r a w i n g p r e s s ； E mb e d d e d c o n t r o l ； W i n d o w s C E ． NE T 目前 ，广泛用 于铝质 、不锈钢薄板制 品的拉深和 压制成形 的液 压拉 深 机是 塑性 加工 行业 中的重 要装 备，它将液体的压力转换为直线运动的上下两模具间 的压力 ，对外做功拉深或压制出工件。国内传统的液 压拉深机通常用一些简单的电气元件控制，其液压缸 运动模式简单固定、可控性差，极不便于工艺参数的 实时调整和精确控制。这对于产品更换频繁的现代生 产体系是一个极大的障碍，因此对传统的液压拉深机 进行数控化升级改造是一件迫在眉睫的事 。 近年来 ，国内出现 了采用可编程控制器作为主控 制器的液压拉深机，国外有部分高端产品则采用昂贵 的工控机作为主控制器 。这些控制器在人机界面或 价格成本等因素上阻碍了国内传统液压拉深机的数控 化升级改造进程。作者采用具有较高实时性、稳定性 和多任务处理能力的嵌入式系统作为液压拉深机的主 控制器 ，构建了一 个基 于 Wi n d o w s C E平 台 的嵌 入式 液压拉深机控制系统 。 1 控制系统的总体设计 控制 系统 的控制对 象 是 Y Z 2 8 G型 四柱液 压拉 深 机 的 3个工作液压缸 主缸 、压边 缸和顶 出缸。系统 控制 目标 是实现主缸 的运动位移 、速度 ，压边缸溢 流 压力和顶出缸运动时序等控制。 该控制系统主要包括如图 1 所示的几个系统功能 模块 1 人 机交互 模块 H M I 。包括 手动 控制 用 的 按钮操作面 板和半 自动控制 用 的工业 触 摸屏 ； 2 微电脑控制模块。即嵌入式计算机等组成的控制器； 3 电气控制模块 。主要包括用 于电机 Y一△启动及 运行 的电气 回路及 电磁 阀专用 电路等 ； 4 机械 执 行机构 。即液压拉深机 的 3 个 工作液 压缸等机械 、液 压本体； 5 检测模块。包括主缸位置检测的光栅 尺、液压缸压力传感器、油温温度传感器等 ； 6 接 口电路模块。包括操作 面板及传感器 与嵌入式计 算 机之问的接口电路和电气控制模块与嵌入式计算机之 间的接 口电路 。 收稿 日期 2 0 1 l 一 0 9 2 0 作者简介 张文杰 1 9 7 9 一 ，男 ，硕士研究生 ，主要从事嵌入式控制系统的研究 。E ma i l z h w j 1 9 7 9 1 6 3 ． c o l n 。 第 2 0期 张文杰 等 液压拉深机的嵌入式控制系统设计 1 1 7 园 图 1 控 制系统功能模块示意 图 2控制系统的硬件设计 控制系统 的硬件设计必须重点解决 以下几 个关 键 性问题 嵌入式控制器 的结构设计 、接 口电路 的设计 以及控制 系统 的电源分配。 2 ． 1 嵌入 式控 制 器 的结 构设计 根据液压机的控制要求，控制器要提供 1 2个开 关量 输 出、1 8个开关量输 入 、3个模拟 量输入 、2个 模 拟量输 出以及 2个脉冲信号输入 。嵌入式控制器 的 结构如图2中虚线框部分所示，其核心是一个一体化 的嵌入式工控 主板 ，为满 足液压 机的控制要求 ，系统 通过 主板上 的 P C 1 0 4总 线扩 展 了三 块不 同功能 的板 卡 。嵌入式控制器 中的主要功能板卡如表 1 所示 。 表 1 控制器 中的主要功 能板 卡 扩展卡 型号 功能备注 含 N S G d e G X 1 3 0 0 MH z C P U，1 2 8 主 板 P C M 3 3 5 0 是 V等G A标 ． 准接口，以及P C 1 0 4 总线接口 A ／ D卡P C M3 7 1 8 D ／ A卡H T 7 4 6 2 毫 P M 5 3 0 计 数 器 卡 油温 、主 缸 压 力 、压 边 缸 压 力 的 输入 主缸比例 阀、压边缸 比例溢流阀 的控制 操作 面 板 按 钮 、安 全 限 位 开 关 、 电磁阀和电机触点等开关量输入 输出，以及光栅尺脉冲计数 2 ． 2接 口电路 的设 计 控制器与外围电路的信号处理流程如图 2所示。 为 了提 高嵌 入式控制器的抗 电磁干扰性能 ，信号在外 围电路与控制器之间进行隔离、变换、缓 冲等预处 理 ，系统使用 自行开发的接 口电路完成此功能。接 口 电路 内部功能模块如 图 2中的点划线框部分所示 。 接 口电路中的光栅尺脉冲信号处理是硬件设计上 的一个难点。系统采用信和 K A系列光栅尺 ，光栅尺 具有 A、B两相正交脉冲 脉冲先后由光栅尺运动方 向决定 和 z相 零位 脉 冲输 出。 由于液 压机 主 缸与 控制 器的距 离较远 ，要对 A、B相脉 冲进 行差分后 长 距离传输 ，因此在接口电路上需要先对脉冲信号进行 解差分，然后依次对信号进行光 电隔离、监相 分 出 A、B相脉冲的先后 、缓冲变换等处理。光栅尺 正、反方向的运动分别用计数器卡上的两个计数器通 道计数，两个通道上的计数结果经软件做差运算得出 光栅尺 的实 际运动方 向和位移 。 VG A USB I 一一一一一一一 J 一 一 一 一 一 一 _h I I l i 蠢 卤 卤 ‘菌 西 豳 豳 ． ．直 审 l 堂 煎 I I 堡 堕 墨 l _L- ．L ． ； ． L _J I 一掘 豳 由豳 豳 l 电 机接 触器I l 开 关阀 l l 按钮开关l l 电隔 l 一 开 关 量 输 出 开 关 量 输 入 I I l I 卜 匡 幽 图2 控制器与外围电路信号流图 2 ． 3控 制 系统 的 电源分 配 由于系统中信号繁多且对信号进行了隔离，因此 要考虑 电源 分配 问题 。该 系统遵 循 以下 原则 分配 电 源 1 采用三相 五线 的 T N ． S制式 电源 系统 ； 2 采用并 联单点 接地方式 ； 3 选 用高质量 的直 流电 源给模拟芯片供电； 4 信号隔离前后的电源分开。 系统的电源使用 方案 如下 1 液压泵 电机 使 用 A C 3 8 0 V电源，嵌入式控制器和触摸屏使用 A C 2 2 0 V电源 ； 2 控制器 内部板卡与隔离前 的接 口电 路共用一个计算机电源； 3 隔离后的接口电路及 传感器等使用一个多电压隔离输出的开关 电源 含 D C 5 V、DC 1 2 V、D C 2 4 V 。 3 控制系统的软件设计 控 制器采用 Wi n d o w s C E ． N E T 4 ． 2实时嵌 入式操 作 系统 ，它是 一个 3 2位 、多 线程 、多 任务 、任 务调 度可抢 占、适合多种 C P U、支持大部分 Wi n 3 2 A P I 、 可裁剪的模块型操作系统 。整个系统的软件架构如 图 3所示 。 应用程序 控 制软件 I臣叵圆匡圃匝 I I巨 囹匣 匝 I 口 亘 匝囹臣 BSP CSP 图 3 系统的软件架构 1 1 8 机床与液压 第 4 0卷 需要开发的内容包括两大方面 1 P C 1 0 4扩 展卡的驱动程序 开发 ； 2 控制 软件 应用 程 序 开发 。 3 ． 1 P C 1 0 4扩展卡的驱动程序开发 嵌 入 式 控 制 器 中 的三 块 扩 展 卡 属 于 Wi n d o w s C E ． N E T平台的流接 口设备 ，其驱动程序表现为用户 级 的动态链接库 D L L ，通常由操作 系统 的设备管理程 序加 载 、管理和卸载 。为 了使控制系统具 有更 强的 实时性能 ，系统没有直接使用 O E M 提供的驱动程序 ， 而是采用单层 驱动 模 型 自行 开发 查 询方 式 的驱动 程 序。驱动程序用 E m b e d d e d V i s u a l C 编写 ，在驱 动 程序代码中嵌入汇编语 句直接 对硬件平 台进行相关 的 操作，并且实现与标准流接口函数不同的硬件操作接 口函数。例如 ，在 A ／ D卡驱动 A D D r i v e r ． d l l 中用 A D R e a d 接 口函数实现 A ／ D卡的高速采样 。 u n s i g n e d s h o r t AD R e a d u n s i g n e d s h o r t Ad d r ，t i n s i g n e d c h a r Ch a n n e l ， u n s i g n e d c h a r Ra n g e， DW ORD D a t a C o u n t ，u n s i g n e d s h o r t D a t a ；／ ／ 根 据 A ／ D卡基 址 A d d r 、通 道 号 C h a n n e l 、采样 范 围 R a n g e 、采 样 点 数 D a t a C o u n t ，得到采样值 D a t a 。 在 A D R e a d函数 中调用嵌入汇编语句 的函数 O U T B 、I N B 直接控制硬件。O U T _ B 、I N B 的 实现代码如 下 v o i d OUT B u n s i g n e d c h a r P o rt， u n s i g n e d c h a r V a l u e { ／ ／ 写指定地址端 口． i f d e f x 8 6 一 a Sm { mo v d x， wo r d p t r P o r t mo v a l ， Va l u e o u t d x， a l } e nd i f u n s i g n e d c h a r I N_ B u n s i g n e d c h a r P o rt { ／ ／ 读 指定地址端 口 ． i f d e f x 8 6 a Sm no v d x， wo r d p t r P o rt i n a 1 ． d x } e n d i f } 使用 V i s u a l c N E T开发 控制软件 ，因此需要 把 驱动程序在 c 下封装后才能调用。c 语言通过特有 的平台调用 P I n v o k e 访问操作系统和第三方 D L L ， 因此需 要 把 扩 展 卡 的 驱 动 D L L文 件 拷 贝 到 平 台 的 ＼ Wi n d o w s 目录，并在控制软件 中对这些 D L L进行 封 装将 D L L中 的接 口函数 申明为 静 态外 部 方 法 ， 并用 D l l I m p o r t 属性修饰，再将这些方法封装成一个 类加入工程 。经封装后 ，D L L中接 口函数的调用就 像访问 c 本地方法一样。下面是封装 D L L的一个类 的例子 u s i n g S y s t e m ； u s i n g S y s t e m． Ru n t i me ． I n t e r o p S e r v i c e s； n a me s p a c e S PACE NAME { p u b l i c c l a s s C LAS S NAME { [ D l l I m p o r t ” A D D r i v e r ． d l l ” ， C h a r S e t C h a r S e t ． U n i c o d e ]／ ／ 引入驱程 A D D r i v e r ． d l l 到 C 工程 中 ． p u b l i c s t a t i c e x t e m u s h o rt AD R e a d u s h o rt A d d r ， b y t e C h a n n e l ， b y t e R a n g e ， u i n t D a t a C o u n t ， [ I n ， O u t ] u s h o rt[ ] D a t a ； ／ ／ 封装 A ／ D卡驱动 D L L中的 A D R e a d 函数 ． ⋯⋯ 驱动程序 D L L中的其他接 口函数 } } ‘ P C 1 0 4扩展 卡的驱 动程序与应用 程序的封装 、调 用关 系如 图 4 所 示。 C 应 用程 序 P i n v o k e 调 用驱 程 接 口函数 驱程 封装 层 c 驱动 程序 层 提 供接 口 函数 1 ． ADD r i v e d I J AD卡 2 ． DA D r i v e d l I D A卡 3 ． DI O Dr i v e r ． d l l 数 字1 0 卡1 3 ． 2控制 软件 开发 控制软件流程如 孬 图 5所 示 ，软 件 以类 函 似软P L C的方式检测 l 三 茎 童 塑l 和 控 制 各 个I O 端口 ， 匿 爵 目 ． _ 嘉 ． 卜 _ 即以硬定 时中 断方 式 ．E 二 _ _ 二 二 中断信号由扩展的 J 塑 塑 1 2 旦 l I 差 o J 薹 自 燮 模 式 l嘉 产 生 循 环 不 停 地 扫 I l l焦 描 所 有 输 入 端口 ， 再 叵 匡 南 根据不同的工艺要求L _ I 瓣 } 雷 誉 至 誓 适 后 在 输 出 端 口 上 输 出、 对应 的控制量 。下面 对控制软件开发 中的 图5 控制软件流程图 第 2 0期 姜风国 等汽车刹车盘 自动检测仪的研制 1 3 1 长时间工作造成传感器测头磨损也会影响检测结果。 软件上通过调零功能 自动补偿校正。每过一段时 间，将传感器铁芯置于 中间位置，按 “ 调零”键进 行 采样 ，将零点输 出存储到数据库 ，检测 时将 采样 数 据减去此零点输 出 ，这样 基本 就可以消除零点误差及 测 头磨损 对检测精度的影响 。 2 环境 干扰 工业 加工现场环境较差 ，干扰源很多 ，检测过程 中不可避免地会引入各种干扰 ，因此需要采取抗干扰 措施 。 硬件上在传感器输出信号进入采集卡之前增加二 阶有源低通滤波器，软件上采用中值滤波法对采样数 据进行数字滤波，即每个通道采样2 0次，将 2 0个采 样值从小到大排序，去除 5个最大值和 5个最小值， 剩下的 1 0个取平均值 ，这样可有效地消除干扰引起 的随机误差 。 3 系统误差 系统误差主要有机械误差及电气误差 ，查明系统 误差的原因，找出其变化规律 ，在软件中进行修正。 4 其他误 差 在电路设计上采取以下措施 在 I ／ O通道上采用 光电隔离器，将电机启停带来的大电流冲击干扰阻挡 在系统之外 ；设计了信号隔离电路以避免形成接地环 流，克服了信号远距离传输带来的接地回路干扰；每 个集成电路芯片都安置了一个 0 ． 0 1 Iz F的电容来消除 大部分高频干扰；使用屏蔽电缆进行信号的传输 ，屏 蔽线良好接地 ；合理设计 P C B等等。 4 结束语 用所研制的检测仪对刹车盘进行了实际检测，结 果表明，检测仪不仅可靠性高、实时性强，大幅提高 了检测效率和精度 ，而且实 现 了检 测过程 的 自动化 、 数字化 、智能化和可视化 。 该设备的先进性主要体现在以下几个方面 1 将计算机数字化技术运用到刹车盘产品检 测过程中，利用计算机强大的计算能力对数据进行显 示、分析和处理，具有检测速度快 、自动化程度高、 可扩展性强和人机界 面友好 等优点 。是 目前行业先进 的检测手段 ，符合制造业信息化产业的发展要求 ； 2 可对所检产品进行分类、分级，便于后续 管理工作的有序进行 ； 3 可 根据需要在 车间内 自由巡检 。 参考文献 【 1 】刘丽峰． 汽车气制动阀检测装置的实现[ D ] ． 北京 北京 工 业大学 ， 2 0 0 8 ． 【 2 】潘淑微， 曹永洁， 傅建 中． 数控机床误差检测技术研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 5 3 3 53 3 7 ． 【 3 】丁敏， 王选择 ， 杨练根 ， 等． 提高电感传感器测量精度的 方法[ J ] ． 中国测试技术， 2 0 0 8 ， 3 4 3 1 71 I9 ． 【 4 】刘丽峰， 马朝永 ， 白果． 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