基于PXI的電液伺服作動(dòng)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
由于該工程項(xiàng)目中的控制系統(tǒng)要求具有優(yōu)越的性能及廣泛的適用范圍，因此，根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的工作條件及工作原理，依據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)處理能力強(qiáng)的原則，利用NI公司的PXI測(cè)試平臺(tái)和LabVIEW圖形化編程環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)面向控制對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)和測(cè)控單元組成，其中上位機(jī)是基于LabVIEW平臺(tái)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)是基于PXI的測(cè)試平臺(tái)，主要由PXI實(shí)時(shí)系統(tǒng)與PXI模塊單元共同構(gòu)成。其系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。
基于LabVIEW平臺(tái)的工控機(jī)用來(lái)顯示人機(jī)交互界面，界面上設(shè)置有操作面板，且前置有USB、開(kāi)關(guān)和指示燈等配置，操作方便。該系統(tǒng)主要是基于PXI架構(gòu)的，因此上位機(jī)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW，以使上位機(jī)與下位機(jī)具有良好的系統(tǒng)兼容性。
根據(jù)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)及技術(shù)要求，需研制體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)的控制系統(tǒng)。基于PXI平臺(tái)的硬件部分具有產(chǎn)品尺寸小、架構(gòu)穩(wěn)固等特性，并且可以提供滿足潛在需求的大量模塊，具有模塊化特征，易于重新配置，可升級(jí)性好，提供了較好的抗沖擊、抗震動(dòng)、防高溫等方面的保護(hù)及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，將PXI系統(tǒng)及LabVIEW應(yīng)用在安全性要求高的工程裝置上，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)成本。利用其模塊化特性，提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，是控制該機(jī)械系統(tǒng)的新手段。
圖4中所示的為PXI硬件的主機(jī)箱體，相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的主機(jī)箱，本系統(tǒng)的主機(jī)配置為基于PXI架構(gòu)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，該主機(jī)運(yùn)行于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)并通過(guò)操作界面進(jìn)行系統(tǒng)配置，執(zhí)行控制工作，并管理報(bào)警與警告信息，運(yùn)行于主機(jī)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)為主機(jī)的核心部分，用以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和輸出的PID閉環(huán)控制，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲(chǔ)，系統(tǒng)提供大的存儲(chǔ)容量且可以隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用及分析，從而滿足了性能需求。
本設(shè)計(jì)采用PXI硬件支持功能模塊的嵌入，設(shè)計(jì)中可將PXI單元嵌入基于PXI系統(tǒng)的主機(jī)箱中，達(dá)到作動(dòng)器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求，由于PXI的實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和高級(jí)分析，因此工作性能較其他以PC單元實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)更為優(yōu)越。
PXI單元包含有四個(gè)模塊：模擬輸入AI，模擬輸出AO，數(shù)字輸入DI，數(shù)字輸出DO。由于伺服系統(tǒng)分為兩個(gè)液壓通道，因此將AI配置為雙通道，用來(lái)接收測(cè)控單元采集到的位移傳感器信號(hào)，并由PXI系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，最后將信號(hào)傳送給工控機(jī)用以在面板上顯示。同樣地，AO也采用兩個(gè)通道，將界面上由人工設(shè)置的參數(shù)信號(hào)通過(guò)AO輸出，經(jīng)由測(cè)控單元相應(yīng)硬件調(diào)理，輸入給伺服機(jī)構(gòu)一個(gè)控制電液伺服閥開(kāi)度的電流信號(hào)，通過(guò)流經(jīng)伺服閥的流量來(lái)控制作動(dòng)筒活塞的位移，完成輸入?yún)?shù)所指定的位置要求。
DI數(shù)字輸入／DO數(shù)字輸出模塊是伺服機(jī)構(gòu)中開(kāi)關(guān)閥、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、報(bào)警器等其他狀態(tài)信息的輸入／輸出通道，其傳輸?shù)男盘?hào)都為開(kāi)關(guān)量。 DI為數(shù)字輸入，用于微動(dòng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)傳輸。微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作由相關(guān)電路調(diào)理后，產(chǎn)生的電信號(hào)由DI傳送給PXI的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，最終由界面顯示。DO數(shù)字輸出，用于開(kāi)關(guān)閥的狀態(tài)信息傳輸。
本系統(tǒng)的測(cè)控單元采用自行設(shè)計(jì)的電路板形式實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)中信號(hào)的采集、調(diào)整、輸出等功能。該單元是連接下位機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)的中介模塊。它接收伺服機(jī)構(gòu)中位移傳感器及其他設(shè)備的信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的電壓／電流轉(zhuǎn)換及調(diào)理后，將信號(hào)輸入PXI的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)處理分析，最后傳送給工控機(jī)用以顯示。同時(shí)，測(cè)控單元也可接收由PXI單元通過(guò)工控機(jī)輸入的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換及調(diào)理，對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的各種狀態(tài)進(jìn)行控制。
為了使控制系統(tǒng)能夠更好地工作，具備優(yōu)越的工作性能，在設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)時(shí)考慮到該裝置在應(yīng)用中的重要性，特別在測(cè)控單元配備有伺服機(jī)構(gòu)所需的二次電源，由測(cè)控單元里的驅(qū)動(dòng)器提供，主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電液伺服作動(dòng)器的電磁開(kāi)關(guān)。另外，測(cè)控單元為伺服機(jī)構(gòu)中的位移傳感器提供激磁電源，由單元中的激勵(lì)器提供。測(cè)控單元中的調(diào)理器是對(duì)位移信號(hào)及其他狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以使信號(hào)能夠更加準(zhǔn)確無(wú)擾動(dòng)誤差地進(jìn)行傳輸。