一种比例阀数字式控制器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种比例阀数字式控制器，包括：监控配置模块，用于采集数字信号处理器工作的配置信息，并通过数据总线将配置信息发送给ARM处理器；ARM处理器，用于根据所述配置信息对数字信号处理器的控制模式和控制参数进行配置；信号采集模块，用于采集比例阀的模拟信号，并将模拟信号转换为数字指令信号发送给所述数字信号处理器；数字信号处理器，用于根据接收到的所述数字信号计算脉冲宽度调制信号的占空比值，并将所述脉冲宽度调制信号的占空比值发送给数字式驱动器；数字式驱动器，用于根据接收到的脉冲宽度调制信号的占空比值输出不同占空比的脉冲宽度调制信号，对比例阀进行驱动。
【专利说明】一种比例阀数字式控制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及液压比例控制【技术领域】，特别涉及一种比例阀数字式控制器。
【背景技术】
[0002]比例控制器是比例控制系统的核心控制元件，其性能好坏直接影响比例阀的整体性能。目前，我国的电液比例控制器功能少，性能低，使用寿命短，环境适应能力差，可靠性低等，无法与国外产品竞争。
[0003]目前国内大部分的比例控制器都是由运放和分立元件构成的模拟式电路实现的，没有数字处理器，并且硬件电路比较复杂，受环境影因素响较大，可靠性差。并且参数设定由电位器完成，重复性和复制性都很差，一旦被改动将难以恢复，而且电位器的磨损对比例控制器的可靠性存在严重的隐患。
【发明内容】
[0004]在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0005]本发明提供一种比例阀数字式控制器，以提高数字式控制器的可靠性。
[0006]本发明提供了一种比例阀数字式控制器，包括:
[0007]监控配置模块，用于采集数字信号处理器工作的配置信息，并通过数据总线将配置信息发送给ARM处理器；
[0008]与所述监控配置模块相连的ARM处理器，用于根据所述配置信息对数字信号处理器的控制模式和控制参数进行配置；
[0009]分别与数字信号处理器和比例阀相连的信号采集模块，用于采集比例阀的模拟信号，并将模拟信号转换为数字指令信号发送给所述数字信号处理器；
[0010]分别与所述ARM处理器、信号采集模块和数字式驱动器相连的数字信号处理器，用于根据接收到的所述数字信号计算脉冲宽度调制信号的占空比值，并将所述脉冲宽度调制信号的占空比值发送给数字式驱动器；
[0011]分别与所述数字信号处理器和比例阀相连的数字式驱动器，用于根据接收到的脉冲宽度调制信号的占空比值输出不同占空比的脉冲宽度调制信号，对比例阀进行驱动。
[0012]与现有技术相比，本发明包括以下优点:
[0013]本发明提供的比例阀数字式控制器，包含ARM处理器和数字信号处理器的双处理器，其中ARM处理器可以处理配置、监控等非实时功能，具有接口功能丰富的优点；数字信号处理器可以对整个系统进行实时控制，具有运算速度快，控制精度高的优点。本实施例中将实时任务和非实时任务分开有利于提高控制器的可靠性。本实施例提供的比例阀数字式控制器具有良好的控制精度以及非常高的可靠性，而且可以通过监控配置模块进行灵活的配置，不仅可以调节比例阀自身的控制特性，同时可以通过模拟和数字接口接收被控系统的反馈信号，通过配置控制闭环实现系统的控制，使得比例阀数字式控制器适用于不同的工作场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本发明实施例一种比例阀数字式控制器的结构框图；
[0016]图2为本发明实施例监控配置模块的结构框图；
[0017]图3为本发明实施例一种比例阀数字式控制器的原理框图；
[0018]图4为本发明实施例ARM处理器的功能框图；
[0019]图5为本发明实施例数字信号处理器的功能框图；
[0020]图6为本发明实施例一种比例阀数字式控制器的数据通信接口单元图。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]参照图1，是本发明实施例一种比例阀数字式控制器的结构框图，本实施例中比例阀数字式控制器具体可以包括:监控配置模块10、ARM处理器11、信号采集模块12、数字信号处理器13和数字式驱动器14，其中:
[0023]监控配置模块10，用于采集数字信号处理器工作的配置信息，并通过数据总线将配置信息发送给ARM处理器。监控配置模块可以提供用户可视化界面，采集用户设置的配置信息，然后通过数据总线将配置信息发送给数字控制器，实现数字控制器控制模式、控制参数等的配置，同时对系统状态进行监控和记录，实现故障报警、处理和记录功能。
[0024]与所述监控配置模块相连的ARM处理器11，用于根据所述配置信息对数字信号处理器的控制模式和控制参数进行配置。高级精简指令处理器(Advanced RISC Machines,ARM)可以处理非实时任务以及智能配置功能，根据配置信息对数字控制器的控制模式和控制参数进行配置，接收、分析数字信号处理器发送来的系统状态数据，对系统进行健康监测。
[0025]分别与数字信号处理器和比例阀相连的信号采集模块12，用于采集比例阀的模拟信号，并将模拟信号转换为数字指令信号发送给所述数字信号处理器。
[0026]分别与所述ARM处理器、信号采集模块和数字式驱动器相连的数字信号处理器13，用于根据接收到的所述数字信号计算脉冲宽度调制信号的占空比值，并将所述脉冲宽度调制信号的占空比值发送给数字式驱动器。
[0027]分别与所述数字信号处理器和比例阀相连的数字式驱动器14，用于根据接收到的脉冲宽度调制信号的占空比值输出不同占空比的脉冲宽度调制信号，对比例阀进行驱动。数字式驱动器为数字式比例电磁铁功率驱动器，采用脉冲宽度调制驱动方式对比例阀进行控制。
[0028]本实施例提供的比例阀数字式控制器，包含ARM处理器和数字信号处理器的双处理器，其中ARM处理器可以处理配置、监控等非实时功能，具有接口功能丰富的优点；数字信号处理器可以对整个系统进行实时控制，具有运算速度快，控制精度高的优点。本实施例中将实时任务和非实时任务分开有利于提高控制器的可靠性。本实施例提供的比例阀数字式控制器具有良好的控制精度以及非常高的可靠性，而且可以通过监控配置模块进行灵活的配置，不仅可以调节比例阀自身的控制特性，同时可以通过模拟和数字接口接收被控系统的反馈信号，通过配置控制闭环实现系统的控制，使控制器适用于不同的工作场合。控制器具备自身监控、报警和健康管理等功能，提高系统可靠性，能够快速定位故障，降低了维护成本。
[0029]在本发明的一种优选实施例中，所述监控配置模块10如图2所示，包括:图形用户接口，与数字总线接口相连，用于采集数字信号处理器工作的配置信息，并发送给数字总线接口 ；数字总线接口，分别与所述图形用户接口和所述ARM处理器相连，用于接收所述配置信息并发送给ARM处理器；模式设置子模块103，与数字信号处理器相连，用于设置数字信号处理器的控制模式；参数设置子模块104，与数字信号处理器相连，用于设置数字信号处理器的控制参数；监控子模块，分别与所述ARM处理器和所述数字信号处理器相连，用于监控所述智能先导式大流量比例阀数字式控制器的运行情况。
[0030]在本发明的一种优选实施例中，所述比例阀数字式控制器还包括:掉电存储设备，与所述ARM处理器连接，用于接收并存储所述ARM处理器发送的所述配置信息，供所述ARM处理器掉电时调用所述配置信息。由于采用了掉电存储设备来存储配置信息，当脱离监控配置模块时，ARM处理器可以从掉电存储设备中调用所述配置信息，然后依据所述配置信息对数字信号处理器进行配置。
[0031]基于此，ARM处理器可以包括:转发子模块，分别与所述监控配置模块和所述掉电存储设备相连，用于将所述配置信息发送至所述掉电存储设备。在本发明的另一种优选实施例中，ARM处理器还可以包括:故障判断模块，分别与所述数字信号处理器和监控配置模块相连，用于接收所述数字信号处理器的状态信息，与所述配置信息进行比对，判断所述数字信号处理器是否发生故障，若是，则发送故障信息给所述监控配置模块，并复位所述数字信号处理器。
[0032]在本发明的一种优选实施例中，所述比例阀包括先导式流量比例阀，所述先导式流量比例阀包括:与信号采集模块相连的先导阀，用于驱动主阀；所述先导阀上设置有比例电磁铁，所述比例电磁铁分别与所述数字式驱动器和信号采集模块相连，用于接收所述数字式驱动器的脉冲宽度调制信号来驱动先导阀；分别与所述先导阀和信号采集模块相连的主阀；所述主阀上设置有线性位移传感器，所述线性位移传感器用于测量主阀阀芯位移。信号采集模块所采集的智能先导式大流量比例阀的模拟信号包括以下一种或几种:智能先导式大流量比例阀的指令信号、智能先导式大流量比例阀的主阀阀芯位移、比例电磁铁电流和先导阀位移。需要说明的是，本发明提供的比例阀数字式控制器可以控制比例阀，特别适合应用到大流量的先导式流量比例阀上，即特别适用于智能先导式大流量比例阀。
[0033]在下面结合图3所示的原理框图对本发明比例阀数字式控制器的工作原理进行说明。如图3所示，监控配置模块31根据用户工作方式，生成相应的数字信号处理器33工作的配置信息，并通过数据总线将配置信息发送给ARM处理器32。ARM处理器32将接收到的配置信息存储到掉电储存设备37中，并根据配置信息开始对数字信号处理器33的工作控制方式进行配置。信号采集模块36采集比例阀35的指令信号、主阀阀芯位移、比例电磁铁电流以及先导阀位移等模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号送给数字信号处理器33进行处理。在配置完数字信号处理器33的工作控制方式之后，数字信号处理器33从信号采集模块36接收转换后的数字信号，根据信号的误差值，经过比例积分微分(proportionintegral derivative, PID)控制算法,计算得到PID输出值，即脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation, PWM)信号的占空比值。数字信号处理器33将得到的PWM信号的占空比值输出到数字式驱动器34，进行数字式驱动控制。数字式驱动器34为数字式比例电磁铁功率驱动器，通过PWM信号对比例阀35进行控制。
[0034]下面结合图4所示的ARM处理器的功能框图对ARM处理器的功能进行说明。ARM处理器42用于配置以及监控数字信号处理器43，如图3所示，ARM处理器42通过数字总线实现与数字信号处理器43的高速数据通信功能，利用SPI总线将接收到的配置信息存储于掉电存储设备44中。采用RS232串行总线与监控配置模块41进行通信，接收监控配置模块41发送的配置信息以及发送报警指示状态到报警显示模块45进行显示。同时，ARM处理器42还具有丰富的外设接口资源，便于比例阀数字式控制器的升级与功能的再扩展。ARM处理器42的具体工作流程如下，ARM处理器42从监控配置模块41接收数字信号处理器43的配置信息并发送给数字信号处理器43，然后等待接收数字信号处理器43发送来的状态信息，针对接收到的状态信息，结合配置信息，执行故障诊断，判断数字信号处理器43是否发生故障，若数字信号处理器43发生故障，则发送故障信息到监控配置模块41，并复位数字信号处理器43。
[0035]下面结合图5所示的数字信号处理器的功能框图对数字信号处理器的工作过程进行说明。数字信号处理器51通过信号采集模块53采集主阀57的指令信号、主阀阀芯位移、比例电磁铁电流以及先导阀位移等模拟信号转换为的数字信号。数字信号处理器51通过闭环控制算法输出PWM控制信号用于控制数字式驱动器54从而驱动比例电磁铁55的运动，进而驱动先导式流量比例阀的先导阀56动作。基于数字信号处理器的实时控制模块实现先导式流量比例阀的闭环控制，并且可以通过配置实现被控系统的反馈信号读取，实现比例控制系统闭环控制。实时比例控制器的实时控制软件结构和参数都可配置，可以根据系统应用要求方便更改，拓宽了控制器的应用范围。控制器根据指令和反馈的误差经过控制算法，得到控制指令，采用数字式脉冲宽度调制信号输出到数字式驱动器，驱动比例电磁铁运动。
[0036]需要说明的是本发明实施中的先导式流量比例阀包括:与信号采集模块相连的先导阀，用于驱动主阀；所述先导阀上设置有比例电磁铁，所述比例电磁铁分别与所述数字式驱动器和信号采集模块相连，用于接收所述数字式驱动器的脉冲宽度调制信号来驱动先导阀；分别与所述先导阀和信号采集模块相连的主阀；所述主阀上设置有线性位移传感器，所述线性位移传感器用于测量主阀阀芯位移。先导阀阀芯的运动是通过线圈中的电流所产生的电磁力与复位弹簧的相互作用来实现，且输入电流与输出位移成正比关系。当先导阀阀芯有位移输出时，高压流体将从先导阀流入主阀，克服主阀阀芯的液动力，推动主阀芯运动，同时利用主阀芯上的线性位移传感器实时测量位移，最终实现主阀阀芯位移控制。
[0037]本发明中先导式流量比例阀的位置控制系统对响应速度和控制精度都有较高的要求，采用双闭环的结构，即图6所示的先导阀反馈比例电磁铁电流给信号采集模块所构成的内环，和主阀反馈主阀阀芯位移给信号采集模块所构成的外环。内环采用电流环能够提高系统的刚度来抑制系统的非线性及外部扰动，外环位置环的作用是为了保证主阀阀芯快速的动态性能和精确的静态精度。比例阀控制器用于实现先导阀的电流环-位置环的双闭环控制，实现主阀的位置闭环控制。
[0038]本发明实施例中，阀控制器采用本发明的比例阀数字式控制器。本发明的比例阀数字式控制器可以灵活配置控制方式，只需要通过监控配置模块进行配置即可，从而实现在不改变硬件的基础上，实现整个阀控制器控制结构的变化。其具体实现如图6所示，信号采集模块61分别采集比例电磁铁的电流、先导阀64的位移和主阀63的阀芯位移作为状态信息反馈给数字信号处理器65，数字信号处理器65再将所述状态信息反馈给ARM处理器。数字信号处理器65可以选用TMS320系列的数字信号处理器，也可以选用F2812系列的数字信号处理器。ARM处理器可以选用LPC2138系列的ARM处理器。考虑到电流环对动态性要求较高，将电流环控制器设计成典型的PI控制器，这样可以提高电流环动态响应频率，使稳态无静差，动态无超调。将位置外环设计成典型的PID控制器，可以有效的提高阀芯快速的动态性能和精确的静态精度。
[0039]在本发明上述各实施例中，实施例的序号和/或先后顺序仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0040]本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括:只读存储器(Read-Only Memory,简称 ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,简称 RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0041]在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
[0042]应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
[0043]最后应说明的是:虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
【权利要求】
1.一种比例阀数字式控制器，其特征在于，包括: 监控配置模块，用于采集数字信号处理器工作的配置信息，并通过数据总线将配置信息发送给ARM处理器； 与所述监控配置模块相连的ARM处理器，用于根据所述配置信息对数字信号处理器的控制模式和控制参数进行配置； 分别与数字信号处理器和比例阀相连的信号采集模块，用于采集比例阀的模拟信号，并将模拟信号转换为数字指令信号发送给所述数字信号处理器； 分别与所述ARM处理器、信号采集模块和数字式驱动器相连的数字信号处理器，用于根据接收到的所述数字信号计算脉冲宽度调制信号的占空比值，并将所述脉冲宽度调制信号的占空比值发送给数字式驱动器； 分别与所述数字信号处理器和比例阀相连的数字式驱动器，用于根据接收到的脉冲宽度调制信号的占空比值输出不同占空比的脉冲宽度调制信号，对比例阀进行驱动。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述监控配置模块包括: 图形用户接口，与数字总线接口相连，用于采集数字信号处理器工作的配置信息，并发送给数字总线接口； 数字总线接口，分别与所述图形用户接口和所述ARM处理器相连，用于接收所述配置信息并发送给ARM处理器； 模式设置子模块，与所述数字信号处理器相连，用于设置数字信号处理器的控制模式；` 参数设置子模块，与所述数字信号处理器相连，用于设置数字信号处理器的控制参数； 监控子模块，分别与所述ARM处理器和所述数字信号处理器相连，用于监控所述比例阀数字式控制器的运行情况。
3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，还包括: 掉电存储设备，与所述ARM处理器连接，用于接收并存储所述ARM处理器发送的所述配置信息，供所述ARM处理器掉电时调用所述配置信息。
4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述ARM处理器包括: 转发子模块，分别与所述监控配置模块和所述掉电存储设备相连，用于将所述配置信息发送至所述掉电存储设备。
5.根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述ARM处理器还包括: 故障判断模块，分别与所述数字信号处理器和监控配置模块相连，用于接收所述数字信号处理器的状态信息，与所述配置信息进行比对，判断所述数字信号处理器是否发生故障，若是，则发送故障信息给所述监控配置模块，并复位所述数字信号处理器。
6.根据权利要求1-5任一所述的控制器，其特征在于，所述比例阀包括先导式流量比例阀。
7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述先导式流量比例阀包括: 与信号采集模块相连的先导阀，用于驱动主阀；所述先导阀上设置有比例电磁铁，所述比例电磁铁分别与所述数字式驱动器和信号采集模块相连，用于接收所述数字式驱动器的脉冲宽度调制信号来驱动先导阀；分别与所述先导阀和信号采集模块相连的主阀；所述主阀上设置有线性位移传感器，所述线性位移传感器用于测量主阀阀芯位移。
8.根据权利要求7所述的控制器，其特征在于，信号采集模块所采集的先导式流量比例阀的模拟信号包括以下一种或几种: 先导式流量比例阀的指令信号、先导式流量比例阀的主阀阀芯位移、比例电磁铁电流和先 导阀位移。
【文档编号】F16K31/02GK103557361SQ201310538143
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】焦宗夏, 吴帅, 彭传龙 申请人:北京航空航天大学