专利名称：一种用于变量泵复合控制的比例放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于变量泵复合控制的比例放大器，适用于变量泵的复合控 制系统。
技术背景液压泵将机械能转换为液压能，是液压系统的动力源。在电液比例控制中，液压 泵是实现不同控制功能的变量泵。电液比例复合控制泵可更好的适应设备的复杂工 况，简化液压系统。用于变量泵复合控制的比例放大器主要完成复合控制泵所要求的 各种控制功能。
目前，国内生产的恒功率变量泵大多采用复合弹簧控制形式，其调节精度很低， 且很难得到较宽的功率调节范围；国外主要采用电反馈和数字控制技术相结合的电液 比例复合控制泵，把控制功能交给比例放大器完成，检测交给压力、位移变送器完成， 而基泵仍与普通手调变量泵的基泵相同，其共同的问题是设计复杂、价格昂贵。
发明内容
本实用新型针对现有技术中存在的缺陷，提出一种用于变量泵复合控制的比例放 大器，结构简单，可减低其开发成本。
为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案 一种用于变量泵复合控制的比 例放大器，包括一个变量泵，其特征是有一个带有设定压力信号输入口、设定流量
信号输入口和设定功率信号输入口的信号调理电路和一个A/D转换器连接一个FPGA 单元，所述的FPGA单元经一个串口电路连接一个上位机， 一个FLASH连接所述FPGA 单元，所述的FPGA单元的输出口经一个D/A转换器、 一个功率驱动电路连接所述变 量泵；所述的变量泵分别连接三个传感器，所述的三个传感器的输出口经另一个信号 调理电路和另一个A/D转换器连接至所述FPGA单元。所述的两个信号调理电路均由运算放大器U1 (0P-07)和若干电阻组成，连接方 式为V-in为输入电压信号，输出端为V-out;所述的两个A/D转换器均选用AD1812 模数转换芯片实现，连接方式为信号V-out经电阻R13接入U4的2脚，U5(TLC431) 为U4提供电压，U4的16端接+5V电源，U4的管脚8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15 输出数字量，接入FPGA芯片的相应1/0 口；所述的FPGA单元选取FPGA芯片；所述 串口电路由电平转换芯片MAX3232和若干器件组成，连接方式为U3的l、 3端经
电容C3连接，4、 5端经电容C4连接，ll端经电阻RlO、 二极管DS2接+3. 3V，并接 到FPGA芯片的I/O 口， 12端经电阻R9、 二极管DS1接+3.3V，并接到FPGA芯片的 I/O 口 ， 10端经电阻Rll、 二极管DS3接+3. 3V，并接到FPGA芯片的I/O 口 ， 9端经 电阻R12、 二极管DS4连接+3. 3V，并接FPGA芯片的I/O 口 ， 7端和14端接入JP3， 13端和5端接入JP4， JP3、 JP4接入JP5的2端和3端，2端经电容C6、 6端经电容 C7、 15端接地，16端接+3. 3V电平；所述FLASH选用芯片AMD29LV160DB实现；所述 D/A转换器选用DAC0808数模转换芯片实现，连接方式为U5的13端接+12V， 3端 接-12V， 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12端接FPGA芯片的相应输出端，14端通过R15 接参考电压，15端通过R16接地，16端通过电容C10接-12V， 4端经过一个由U6组 成的减法器输出信号端V-o;所述功率驱动电路选用直流电机驱动芯片(LMD18200) U2实现，连接方式为V-o接5端，3、 4、 8分别通过电阻R5、 R6、 R7接地，1、 2、 10、 ll外接插座JP， JP接变量泵；所述上位机为PC机；所述三个传感器分别是一个 压力变送器和两个位移变送器；所述变量泵为柱塞变量泵或叶片变量泵。
在上述FPGA芯片内包括主控制模块、通讯接口 、通讯接口控制模块和双端口 RAM， 连接方式为输入信号经A/D转换器、主控制模块连接D/A转换器，双端口RAM分别 连接主控制模块与通讯接口控制模块，通讯接口控制模块连接通讯接口，通讯接口连 接串口电路。上述主控制模块和通讯接口控制模块分别由上述FPGA芯片内的两个嵌 入式处理器NiosII组成，所述NiosII是一种32位微处理器软核，需配置AvalonT 三态总线桥、双端口RAM及若干PIO、 SPI，连接方式为NiosII通过Avalon片上总 线与片内RAM、片内ROM、时钟、看门狗、双端口MM、 Avalon T三态总线桥、PIO、 SPI、 UART相连，UART连接上述上位机，SPI连接上述A/D转换器，PIO连接上述D/A 转换器，Avalon T三态总线桥接Avalon三态总线。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在本实用新型将通讯、控制等功 能集成在可编程片上系统中实现，采用嵌入式处理器NiosII来完成软件控制算法， 使比例放大器结构简单，降低其开发成本。
图1是本实用新型实施例的总体结构； 图2是图1示例的信号调理电路原理图； 图3是图1示例的A/D转换器电路原理图； 图4是图l示例的串口电路原理图
图5是图1示例的D/A转换器电路原理图6是图1示例的功率驱动电路原理图7是图1示例的FPGA芯片功能模块框图及接口说明；
图8是图1示例的嵌入式处理器NiosII结构图9是图1示例的主程序流程图。
以下通过具体实施方式
，并结合附图对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
本实用新型的一个优选实施例结合附图详述如下
参见图l，本实施例的控制对象为变量泵，图中上位机9、传感器13、 14、 15 和变量泵12不属于本实用新型内。 一种用于变量泵复合控制的比例放大器，包括一 个变量泵12，其特征是有一个带有设定压力信号输入口 1、设定流量信号输入口2 和设定功率信号输入口 3的信号调理电路4和一个A/D转换器5连接一个FPGA单元 6，所述的FPGA单元6经一个串口电路8连接一个上位机9， 一个FLASH 7连接所 述FPGA单元6，所述的FPGA单元6的输出口经一个D/A转换器10，再经一个功率驱 动电路11连接所述变量泵12;所述的变量泵12分别连接三个传感器13、 14、 15， 所述的三个传感器13、 14、 15的输出口经另一个信号调理电路16和另一个A/D转换 器17连接至所述FPGA单元6。上述设定输入信号可由电位器、程控器或计算机产生， 可接受由压力变送器检测的变量泵出口压力信号，与压力给定信号比较，构成对复合 控制泵的压力控制；可接受由位移变送器检测的变量液压缸排量信号，与流量给定信 号比较，构成对复合控制泵的流量控制；可接受由位移变送器检测的阀芯位移信号， 与前面运算输出信号比较，构成对阀芯的位置调节，稳定比例电磁铁的电流；还可实 现对复合控制泵的功率控制。
所述的两个信号调理电路4、 16均由运算放大器U1 (0P-07)和若干电阻组成的 加法器电路构成，对输入信号进行处理，以适应A/D芯片的量程要求，V-in为输入 电压信号，输出端为V-out，其电路原理图如图2所示。
所述的两个A/D转换器5、 17均选用AD1812模数转换芯片U4实现，将输入的 模拟量转换成数字量，信号V-out经电阻R13接入U4的2脚，U5 (TLC431)为U4 提供电压，U4的管脚8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15输出数字量，接入FPGA芯片 的相应I/0口，其电路图如图3所示。
所述串口电路8由电平转换芯片MAX3232 U3和若干器件组成，连接上位机9， U3的11端经电阻RIO、 二极管DS2接+3. 3V，并接到FPGA芯片的I/O 口 ， 12端经电 阻R9、 二极管DS1接+3. 3V，并接到FPGA芯片的I/O 口， lO端经电阻Rll、 二极管 DS3接+3. 3V，并接到FPGA芯片的I/O 口 ， 9端经电阻R12、 二极管DS4连接+3. 3V， 并接FPGA芯片的I/O 口， 7端和14端接入JP3， 13端和5端接入JP4， JP3、 JP4接 入JP5的2端和3端，2端经电容C6、 6端经电容C7、 15端接地，16端接+3. 3V电 平，其电路图如图4所示。
所述D/A转换器10选用DAC0808数模转换芯片U5实现，将输出的数字量转换成 模拟量，U5的5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12端接FPGA芯片的相应输出端，4端经过 一个由U6组成的减法器输出信号端V-o，其电路图如图5所示。
所述功率驱动电路ll选用直流电机驱动芯片(LMD18200) U2实现，对输出信号 进行功率放大，V-o接5端，3、 4、 8分别通过电阻R5、 R6、 R7接地，1、 2、 10、 ll外接插座JP， JP接变量泵，其电路图如图6所示。
所述上位机9为PC机；所述三个传感器13、 14、 15分别是一个压力变送器和两 个位移变送器；所述变量泵12为柱塞变量泵或叶片变量泵。
参见图7，在上述FPGA芯片内包括主控制模块18、通讯接口20、通讯接口控制 模块21和双端口 RAM 19，所述主控制模块18在每个控制周期到来时，通过上述传 感器13、 14、 15获取上述变量泵12的当前状态信息，采用适当的控制算法计算控制 量，通过上述功率驱动电路11输出控制信号，并将上述变量泵12的状态信息写入上述 双端口RAM 19;构成通讯接口控制模块21的嵌入式处理器NiosII与构成主控制模 块18的嵌入式处理器Nios II是两个不同的处理器,这两个Nios II内核集成在一个 NiosII系统中，通过上述双端口 RAM 19传递数据。
参见图8，本实施例的控制核心NiosII是Altera公司针对其FPGA开发的一个用 户可配置的32位通用RISC嵌入式处理器，作为实现控制的中央处理器，特点之一就 是Avalon总线，它是连接片上处理器和其他IP模块的一种简单的总线协议，规定了 主部件和从部件之间进行连接的端口和通信的时序。Avalon总线是一种相对简单的 总线结构，主要用于连接片内处理器与外设，以构成片上编程系统(SOPC)。在Altera 公司提供的QuatusII开发平台中进行FPGA内部的系统设计，在SOPC Builder中，为 处理器NiosII添加系统时钟，作为所述处理器的周期定时器和看门狗定时器；设计一 个通用异步串行接口 UART,实现与上述上位机9的数据交互；设置若干PIO、 SPI，其
中PIO用于发送D/A数据并控制D/A片选信号，SPI采集输入设定信号1、 2、 3和上 述传感器13、 14、 15检测信号；此外还添加外部FLASH接口，软件程序在编译完成后 存储在外部FLASH中，FPGA上电后，软件程序将由所述FLASH 7中映像到上述双端口 RAM 19中运行。在定制添加完成后，系统工具自动分配基地址和中断并生成系统模 块。在生成过程中，SOPC Builder将Nios II系统模块创建为一个符号添加到BDF文档 中，进行布线和逻辑互联。在完成这些后，对工程文件进行编译。编译后，QuartusII生 成一个或多个编程文件,可编程或配置一个器件,下载到上述FLASH 7中，将在上述 FPGA内部生成一个包括NiosII软核及相关外设接口的电路。 -
上述主控制模块18中NiosII的任务就是在规定的控制周期内，通过通讯接口 20得到上位机9发出的控制任务及控制参数，接受变量泵12连接的传感器13、 14、 15检测到的反馈信号，经CPU中的适当的算法计算后得到输出的控制信号，实现上 述变量泵12的复合控制，在Altera公司的软件集成开发环境Nios II IDE中进行软件 的编辑、调试、编译和下载等工作,其主程序流程图如图9所示。
权利要求1.一种用于变量泵复合控制的比例放大器，包括一个变量泵(12)，其特征是有一个带有设定压力信号输入口(1)、设定流量信号输入口(2)和设定功率信号输入口(3)的信号调理电路(4)和一个A/D转换器(5)连接一个FPGA单元(6)，所述的FPGA单元(6)经一个串口电路(8)连接一个上位机(9)，一个FLASH(7)连接所述FPGA单元(6)，所述的FPGA单元(6)的输出口经一个D/A转换器(10)、一个功率驱动电路(11)连接所述变量泵(12)；所述的变量泵(12)分别连接三个传感器(13、14、15)，所述的三个传感器(13、14、15)的输出口经另一个信号调理电路(16)和另一个A/D转换器(17)连接至所述FPGA单元(6)。
2. 根据权利要求l所述的一种用于变量泵复合控制的比例放大器，其特征是所述 的两个信号调理电路(4、 16)均由运算放大器U1 (OP-07)和若干电阻组成，连 接方式为V-in为输入电压信号，输出端为V-out;所述的两个A/D转换器(5、 17)均选用AD1812模数转换芯片(U4)实现，连接方式为信号V-out经电阻 R13接入U4的2脚，U5 (TLC431)为U4提供电压，U4的16端接+5V电源，U4 的管脚8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15输出数字量，接入FPGA芯片的相应1/0 口；所述的FPGA单元(6)选取FPGA芯片；所述串口电路(8)由电平转换芯片 MAX3232 (U3)和若干器件组成，连接方式为U3的1、 3端经电容C3连接，4、 5端经电容C4连接，ll端经电阻RlO、 二极管DS2接+3. 3V，并接到FPGA芯片的 I/O 口 ， 12端经电阻R9、 二极管DS1接+3. 3V，并接到FPGA芯片的I/O 口 ， 10 端经电阻Rll、 二极管DS3接+3.3V，并接到FPGA芯片的I/0口， 9端经电阻R12、 二极管DS4连接+3. 3V，并接FPGA芯片的I/O 口 ， 7端和14端接入JP3， 13端和 5端接入JP4， JP3、 JP4接入JP5的2端和3端，2端经电容C6、 6端经电容C7、 15端接地，16端接+3. 3V电平；所述FLASH (7)选用芯片AMD29LV160DB实现； 所述D/A转换器(10)选用DAC0808数模转换芯片(U5)实现，连接方式为U5 的13端接+12V， 3端接-12V， 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12端接FPGA芯片的相应 输出端，14端通过R15接参考电压，15端通过R16接地，16端通过电容C10接 -12V， 4端经过一个由U6组成的减法器输出信号端V-o;所述功率驱动电路(ll) 选用直流电机驱动芯片(LMD18200) U2实现，连接方式为V-o接5端，3、 4、 8 分别通过电阻R5、 R6、 R7接地，1、 2、 10、 ll外接插座JP， JP接变量泵；所述 上位机(9)为PC机；所述三个传感器(13、 14、 15)分别是一个压力变送器和 两个位移变送器；所述变量泵(12)为柱塞变量泵或叶片变量泵。
3. 根据权利要求2所述的一种用于变量泵复合控制的比例放大器，其特征是在上 述FPGA芯片内包括主控制模块(18)、通讯接口 (20)、通讯接口控制模块(21) 和双端口RAM (19)，连接方式为输入信号经A/D转换器(5、 17)、主控制模 块(18)连接D/A转换器(10)，双端口RAM (19)分别连接主控制模块(18) 与通讯接口控制模块(21)，通讯接口控制模块(21)连接通讯接口 (20),通 讯接口 (20)连接串口电路(8)。
4. 根据权利要求3所述的一种用于变量泵复合控制的比例放大器，其特征是上述 主控制模块(18)和通讯接口控制模块(21)分别由上述FPGA芯片内的两个嵌入 式处理器Nios II组成，所述Nios II是一种32位微处理器软核，需配置Avalon T 三态总线桥、双端口RAM及若干PIO、 SPI,连接方式为NiosII通过Avalon片 上总线与片内廳、片内R0M、时钟、看门狗、双端口画、Avalon T三态总线桥、 PIO、 SPI、 UART相连，UART连接上述上位机(9) ， SPI连接上述A/D转换器(5、 17) ， PIO连接上述D/A转换器(10) ， Avalon T三态总线桥接Avalon三态总线。
专利摘要本实用新型涉及一种用于变量泵复合控制的比例放大器，包括一个变量泵，有一个带有设定压力信号输入口、设定流量信号输入口和设定功率信号输入口的信号调理电路和一个A/D转换器连接一个FPGA单元，所述的FPGA单元经一个串口电路连接一个上位机，一个FLASH连接所述FPGA单元，所述的FPGA单元的输出口经一个D/A转换器、一个功率驱动电路连接所述变量泵；所述的变量泵分别连接三个传感器，所述的三个传感器的输出口经另一个信号调理电路和另一个A/D转换器连接至所述FPGA单元；由于本实用新型将通讯、控制等功能集成在可编程片上系统中实现，采用嵌入式处理器Nios II来完成软件控制算法，使比例放大器结构简单，可降低其开发成本。
文档编号G05B11/38GK201177748SQ20082005754
公开日2009年1月7日 申请日期2008年4月21日 优先权日2008年4月21日
发明者磊 姚, 邢科礼, 金侠杰 申请人:上海大学