專利名稱：一種伺服控制器及電液伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于伺服控制領(lǐng)域，尤其涉及一種伺服控制器及電液伺服系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電液伺服技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，伺服控制器作為整個(gè)電液伺服系統(tǒng)的控制神 經(jīng)中樞，是電液伺服系統(tǒng)能否可靠、安全工作的關(guān)鍵所在。目前常用的伺服控 制器多為模擬控制器，自動(dòng)化程度較低，控制參數(shù)修改繁瑣且電液伺服系統(tǒng)不 具有可視性，另外控制器對(duì)控制對(duì)象比較敏感，往往是一套液壓伺服單元專配 一套控制器，可互換性較差，特別是力控回路對(duì)負(fù)載尤其敏感，這對(duì)調(diào)整參數(shù) 的技術(shù)人員的技術(shù)水平要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種伺服控制器，旨在解決目前的伺服控制 器自動(dòng)化程度低、控制參數(shù)修改繁瑣且互換性差的問題。
本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的， 一種伺服控制器，所述伺服控制器包括 閉環(huán)控制單元，用于根據(jù)接收到的控制信號(hào)和反饋信號(hào)采用PIDF控制算 法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
伺服閥驅(qū)動(dòng)單元，用于根據(jù)所述閉環(huán)控制單元產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制外部伺 服裝置動(dòng)作；
單片機(jī)設(shè)定單元，用于對(duì)所述閉環(huán)控制單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)定；以及 電源單元，用于向所述閉環(huán)控制單元、所述伺服閥驅(qū)動(dòng)單元或所述單片機(jī) 設(shè)定單元供電。
本發(fā)明實(shí)施例的另一 目的在于提供一種采用上述伺服控制器的電液伺服系統(tǒng)。
本發(fā)明實(shí)施例中，閉環(huán)控制單元釆用PIDF控制算法，利用PID調(diào)節(jié)器實(shí)
現(xiàn)自動(dòng)控制增益，并且通過單片機(jī)設(shè)定單元調(diào)整閉環(huán)控制單元的增益參數(shù)，調(diào) 整簡單靈活且精度高，實(shí)時(shí)性和可互換性強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的閉環(huán)^^饋控制單元的結(jié)構(gòu)原理圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí) 施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅 僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明實(shí)施例中，伺服控制器通過速度、位移、力三環(huán)控制，采用比例-積、分4效分隱前々赍(Proportion-Integral誦Derivative-Feedforward, PIDF ) 4空制算法， 對(duì)液壓伺服單元實(shí)現(xiàn)位移或力閉環(huán)控制。
圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，為了便于描述， 僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。
如圖l所示，電源單元l、單片機(jī)設(shè)定單元2、閉環(huán)控制單元3、狀態(tài)指示 單元4、伺服閥驅(qū)動(dòng)單元5、信號(hào)調(diào)理單元6組成了電液伺服系統(tǒng)的伺服控制器， 伺服控制器接收工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的指令信號(hào)和時(shí)序信號(hào)，閉環(huán)控制液壓伺服單 元運(yùn)行。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過單片機(jī)設(shè)定單元2對(duì)閉環(huán)控制單元3進(jìn)行時(shí)序增 益等參數(shù)設(shè)定，整個(gè)電液伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有可視性，使參數(shù)調(diào)整更加方 便。
其中，單片機(jī)設(shè)定單元2采用RS232\RS485等總線與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通信，
5方便系統(tǒng)的擴(kuò)展， 一個(gè)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可以同時(shí)控制多個(gè)單獨(dú)的伺服控制器進(jìn) 行工作。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過單片機(jī)設(shè)定模塊2實(shí)現(xiàn)對(duì)閉環(huán)控制單元3的時(shí)序 增益等參數(shù)設(shè)定，并將控制指令輸入至控制閉環(huán)控制單元3,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其控制 目的。
電源單元1將交流市電降壓整流濾波后產(chǎn)生多組電壓，為單片機(jī)設(shè)定單元
2、閉環(huán)控制單元3、伺服閥驅(qū)動(dòng)單元5和信號(hào)調(diào)理單元6等供電。伺服閥驅(qū)動(dòng) 單元5接收閉環(huán)控制單元3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)地轉(zhuǎn)化處理后，驅(qū)動(dòng)液壓伺 服單元進(jìn)行工作。信號(hào)調(diào)理單元3采用差分放大濾波電路，當(dāng)信號(hào)調(diào)理單元6 接收到液壓伺服單元位移超限或力超限的反饋信號(hào)時(shí)，將反饋信號(hào)放大處理后 進(jìn)一步反饋給閉環(huán)控制單元3,閉環(huán)反饋控制單元3根據(jù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制 信號(hào)和反饋信號(hào)，采用PID算法，再通過伺服閥驅(qū)動(dòng)單元5對(duì)液壓伺服單元進(jìn) 行位移或力等動(dòng)作控制，將系統(tǒng)位移等控制在合理范圍之內(nèi)。
圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的閉環(huán)控制單元的結(jié)構(gòu)原理，該閉環(huán)控制單 元采用速度、位移、力三環(huán)控制。其中，速度控制環(huán)為基本環(huán)，用于根據(jù)外部 伺服裝置的速度反饋實(shí)時(shí)參與控制液壓伺服單元的運(yùn)行速度，為提高頻率相應(yīng) 特性，采用比例+前饋控制算法，包括減法器S6、-比例調(diào)節(jié)模塊31、減法器 S7,其中比例調(diào)節(jié)模塊31用于對(duì)液壓伺服單元的速度反饋值與所述位移控制環(huán) 輸出結(jié)果的差值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，液壓伺服單元的速度反饋值與所述位移控制環(huán) 輸出結(jié)果的差值由減法器S6計(jì)算輸出，減法器S7對(duì)比例調(diào)節(jié)模塊31的輸出 結(jié)果和伺服控制器接收的位移前饋控制信號(hào)值求差后輸出至液壓伺服單元。對(duì) 于液壓伺服單元有速度反饋的應(yīng)用系統(tǒng)，如旋轉(zhuǎn)運(yùn)行伺服系統(tǒng)，速度反饋信號(hào) 可以直接從液壓伺服單元的速度傳感器中得到，而對(duì)于沒有速度反饋的應(yīng)用系 統(tǒng)，如直線運(yùn)行伺服系統(tǒng)，速度反饋信號(hào)則需要將位移反饋還要經(jīng)過微分模塊 32后得到。
位移控制環(huán)為二級(jí)環(huán)路，采用比例、積分、微分加前饋的控制算法，使用 PID調(diào)節(jié)器完成比例、積分、微分運(yùn)算，前饋控制端口開放至力控指令端口，
6可以適應(yīng)不同的系統(tǒng)，同時(shí)也提高了前^f通道的抗干擾能力，包括減法器S5、
位移限制模塊33、減法器S1、 PID調(diào)節(jié)器1，減法器Sl對(duì)液壓伺服單元的位 移反饋值與位移控制信號(hào)值求差輸出至PID調(diào)節(jié)器1， PID調(diào)節(jié)器1經(jīng)過運(yùn)算 后輸出至速度控制環(huán)中的減法器S6，位移限制模塊33用于將接收的位移控制 信號(hào)調(diào)整在一定范圍內(nèi)。
力控制環(huán)為三級(jí)環(huán)路，控制方式與位移控制環(huán)相同，包括力指令限制模塊 34、減法器S2、減法器S3、減法器S4、 PID調(diào)節(jié)器2、 PID調(diào)節(jié)器3、 PID調(diào) 節(jié)器4。減法器S2對(duì)液壓伺服單元的力反^t值和力上限控制信號(hào)值求差，將求 差結(jié)果輸出至PID調(diào)節(jié)器2進(jìn)行PID運(yùn)算，PID調(diào)節(jié)器2由選通開關(guān)K4控制 與位移控制環(huán)中的減法器Sl接通；減法器S3對(duì)液壓伺服單元的力反饋值和力 下限控制信號(hào)值求差，將求差結(jié)果輸出至PID調(diào)節(jié)器3進(jìn)行PID運(yùn)算，PID調(diào) 節(jié)器3由選通開關(guān)K4控制與位移控制環(huán)中的減法器Sl接通；減法器S4對(duì)液 壓伺服單元的力反^t值和力控制信號(hào)值求差，將求差結(jié)果輸出至PID調(diào)節(jié)器4 進(jìn)行PID運(yùn)算，PID調(diào)節(jié)器4將運(yùn)算結(jié)果輸出至位移控制環(huán)中的減法器S5;力 指令限制模塊34用于將接收的力控制信號(hào)調(diào)整在一定范圍內(nèi)。
閉環(huán)控制單元根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的不同，有兩種應(yīng)用模式力控模式和位控模 式，在兩種模式下，各個(gè)控制環(huán)工作模式不同，具體見下表
力控制環(huán)位移控制環(huán)速度控制環(huán)
力控模式實(shí)時(shí)參與控制；當(dāng)位移 超限時(shí)不參與控制但 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控但不參與控 制，在當(dāng)位移超限時(shí)， 參與控制實(shí)時(shí)參與控制
位控模式實(shí)時(shí)監(jiān)控但不參與控 制、在當(dāng)力超限時(shí)，參 與控制實(shí)時(shí)參與控制；在當(dāng)力 超限時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)，但 不參與控制實(shí)時(shí)參與控制
參照?qǐng)D1和圖2，當(dāng)系統(tǒng)工作在位控模式時(shí)，開關(guān)Kl與力控指令端口斷開， 開關(guān)K2、 K5閉合，開關(guān)K3斷開，當(dāng)閉環(huán)控制單元3通過信號(hào)調(diào)理單元6 (圖
72中未示出)接收到液壓伺服單元的力反饋超過力設(shè)定上限或下限的反饋信息 時(shí)，力上限閉環(huán)回路或下限閉環(huán)回路開始工作，當(dāng)力上限閉環(huán)電路調(diào)節(jié)輸出值
小于位控指令或力下限閉環(huán)電路調(diào)節(jié)輸出值大于位控指令時(shí)，選通開關(guān)K4接 通PID調(diào)節(jié)器2與減法器Sl或接通PID調(diào)節(jié)器3與減法器Sl，而位移控制信 號(hào)與下級(jí)系統(tǒng)斷開，此時(shí)系統(tǒng)工作在力控模式下，設(shè)定值為力上限值或下限值， 當(dāng)位控指令小于PID調(diào)節(jié)器2輸出值或大于PID調(diào)節(jié)器3輸出值時(shí)，即液壓伺 服單元反饋正常時(shí)，K4復(fù)位，接通位移限制模塊33和減法器S1，系統(tǒng)恢復(fù)正 常位控模式。
當(dāng)系統(tǒng)工作在力控模式時(shí)，開關(guān)Kl接通力控制信號(hào)端口，開關(guān)K2、 K5 斷開，開關(guān)K3閉合，當(dāng)PID調(diào)節(jié)器4輸出值超出位移限制模塊33的位移上下 限時(shí)，系統(tǒng)控制開關(guān)K2接通，接通位移指令，開關(guān)K3斷開，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為位控模 式以保證系統(tǒng)位移不超出限制值，當(dāng)PID調(diào)節(jié)器4輸出值在位移上下限范圍內(nèi) 時(shí)，即液壓伺服單元反饋正常時(shí)，系統(tǒng)接通力控指令，回復(fù)力控模式。
圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理，減法器S接收相 應(yīng)的控制信號(hào)和反饋信號(hào)，求差值后輸出至PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器將差值分 別經(jīng)過比例-放大、積分-放大、微分-放大后再由加法器A求和輸出，本發(fā) 明實(shí)施例中，放大運(yùn)算通過一乘法器實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整，各增益值P、 I、 D通過工 業(yè)控制計(jì)算機(jī)和單片機(jī)設(shè)定模塊2設(shè)定，控制增益采用數(shù)字控制，使得增益參 數(shù)有較好的重復(fù)性，可以使控制器的控制品質(zhì)在反復(fù)確定控制參數(shù)時(shí)接近最優(yōu)。
三環(huán)控制回路的優(yōu)點(diǎn)是將系統(tǒng)的速度、位移、力同時(shí)監(jiān)控，提高穩(wěn)定性和 頻率相應(yīng)特性，且當(dāng)開關(guān)K5接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)前饋控制，無誤差運(yùn)算，同時(shí)抗干 擾性好，可適應(yīng)性好，具體工作時(shí)，各個(gè)開關(guān)器件的狀態(tài)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和 單片機(jī)設(shè)定單元2控制，力上下限值、位移上下限值均由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和單 片機(jī)設(shè)定單元2設(shè)定，而狀態(tài)指示單元4可以選用發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)指示當(dāng)前開關(guān)的接通與關(guān)斷，便于直觀的了解閉環(huán)控制單元3的 工作狀態(tài)。本發(fā)明實(shí)施例中，閉環(huán)控制單元通過速度、位移、力三環(huán)控制，采用PIDF
控制算法，利用PID調(diào)節(jié)器中的乘法器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制增益，并且通過單片機(jī)設(shè)
定單元調(diào)整閉環(huán)控制單元的增益參數(shù)，調(diào)整簡單靈活且精度高，實(shí)時(shí)性和可互 換性強(qiáng)，而且各路開關(guān)均采用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)，開關(guān)速度為微秒級(jí)，可以使伺服 控制器做到控制模式的平滑切換。本發(fā)明實(shí)施例提供的電液伺服系統(tǒng)中，工業(yè) 控制計(jì)算機(jī)通過單片機(jī)設(shè)定單元對(duì)閉環(huán)控制單元進(jìn)行時(shí)序增益等參數(shù)設(shè)定，整 個(gè)電液伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有可視性，使參數(shù)調(diào)整更加方便。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā) 明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
1、一種伺服控制器，其特征在于，所述伺服控制器包括閉環(huán)控制單元，用于根據(jù)接收到的控制信號(hào)和反饋信號(hào)采用PIDF控制算法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；伺服閥驅(qū)動(dòng)單元，用于根據(jù)所述閉環(huán)控制單元產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制外部伺服裝置動(dòng)作；單片機(jī)設(shè)定單元，用于對(duì)所述閉環(huán)控制單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)定；以及電源單元，用于向所述閉環(huán)控制單元、所述伺服閥驅(qū)動(dòng)單元或所述單片機(jī)設(shè)定單元供電。
2、 如權(quán)利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，所述伺服控制器進(jìn)一步 包括信號(hào)調(diào)理單元，用于將外部伺服裝置的反饋信號(hào)處理后反饋至所述閉環(huán)控 制單元。
3、 如權(quán)利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，所述伺服控制器進(jìn)一步 包括狀態(tài)指示單元，用于指示所述閉環(huán)控制單元的工作狀態(tài)。
4、 如權(quán)利要求1所述的伺服控制器，其特征在于，所述閉環(huán)控制單元有力 控和位控兩種工作模式，所述閉環(huán)控制單元包括速度控制環(huán)，用于根據(jù)外部伺服裝置的速度反饋實(shí)時(shí)參與控制外部伺服裝 置的運(yùn)行速度，所述速度控制環(huán)為所述閉環(huán)控制單元的基本控制環(huán)；位移控制環(huán)，用于在所述閉環(huán)控制單元處于力控模式時(shí)實(shí)時(shí)參與監(jiān)控外部 伺服裝置的位移反饋，當(dāng)位移超限時(shí)參與控制外部伺服裝置的位移；在所述閉 環(huán)控制單元處于位控模式時(shí)實(shí)時(shí)參與控制外部伺服裝置的位移，當(dāng)力超限時(shí)參 與監(jiān)控外部伺服裝置的位移反饋；力控制環(huán)，用于在所述閉環(huán)控制單元處于力控模式時(shí)實(shí)時(shí)參與控制監(jiān)控外 部伺服裝置的力，當(dāng)位移超限時(shí)參與監(jiān)控外部伺服裝置的力反饋；在所述閉環(huán)控制單元處于位控模式時(shí)實(shí)時(shí)參與監(jiān)控外部伺服裝置的力反饋，當(dāng)力超限時(shí)參 與控制監(jiān)控外部伺服裝置的力。
5、 如權(quán)利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，所述速度控制環(huán)包括 比例調(diào)節(jié)才莫塊，用于對(duì)外部伺服裝置的速度反饋值與所述位移控制環(huán)輸出結(jié)果的差值進(jìn)行比例調(diào)節(jié)；以及一減法器，用于對(duì)所述比例調(diào)節(jié)模塊的輸出結(jié)果和所述伺服控制器接收的 位移前饋控制信號(hào)值求差后輸出至外部伺服裝置。
6、 如權(quán)利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，所述位移控制環(huán)包括 第一PID調(diào)節(jié)器，用于對(duì)外部伺服裝置的位移反饋值與所述伺JIW空制器接收的位移控制信號(hào)值之差進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出至所述速度控制環(huán)。
7、 如權(quán)利要求6所述的伺服控制器，其特征在于，所述位移控制環(huán)進(jìn)一步 包括位移限制模塊，用于對(duì)所述祠服控制器接收的位移控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。
8、 如權(quán)利要求4所述的伺服控制器，其特征在于，所述力控制環(huán)包括第二 PID調(diào)節(jié)器，用于對(duì)外部伺服裝置的力反饋值和所述伺服控制器接收 的力上限控制信號(hào)值之差進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出至所述位移控制環(huán)；第三PID調(diào)節(jié)器，用于對(duì)外部伺服裝置的力反饋值和所述伺服控制器接收 的力下限控制信號(hào)值之差進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出至所述位移控制環(huán)； 以及第四PID調(diào)節(jié)器，用于對(duì)外部伺服裝置的力反饋值和所述伺服控制器接收 的力控制信號(hào)值之差進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出至所述位移控制環(huán)。
9、 如權(quán)利要求8所述的伺服控制器，其特征在于，所述力控制環(huán)進(jìn)一步包括力指令限制模塊，用于對(duì)所述伺服控制器接收的力控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。
10、 一種采用如權(quán)利要求1所述的伺服控制器的電液伺服系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明適用于伺服控制領(lǐng)域，提供了一種伺服控制器及電液伺服系統(tǒng)，所述伺服控制器包括閉環(huán)控制單元，用于根據(jù)接收到的控制信號(hào)和反饋信號(hào)采用PIDF控制算法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)；伺服閥驅(qū)動(dòng)單元，用于根據(jù)所述閉環(huán)控制單元產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制外部伺服裝置動(dòng)作；單片機(jī)設(shè)定單元，用于對(duì)所述閉環(huán)控制單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)定；以及電源單元，用于向所述閉環(huán)控制單元、所述伺服閥驅(qū)動(dòng)單元和所述單片機(jī)設(shè)定單元供電。本發(fā)明中，閉環(huán)控制單元采用PIDF控制算法，利用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制增益，并且通過單片機(jī)設(shè)定單元調(diào)整增益參數(shù)，調(diào)整簡單靈活且精度高，從而伺服控制器的實(shí)時(shí)性和可互換性增強(qiáng)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101464681SQ200710125448
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者雷 龐, 蘇茂田 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司