1、Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期1文章编号：2095-6835（2023）13-0001-04基于 ARM 和 LABVIEW 的电液伺服控制系统研究李建宏，郑 辉，梁 彦，袁妙琴，余佩伦（四川职业技术学院电子工程学院，四川 遂宁 629000）摘要：针对传统电液伺服控制器精度低、集成化低、数字化程度低等诸多问题，设计了以ARM（AcornRISC Machine，微处理器）为核心的数字式电液伺服控制器，对该控制器的硬件及软件进行了详细介绍，同时采用 LABVIEW（一种程序开发环境）设计上位机，以提高系统的可视化程度并便于
2、调试，最后进行了位置控制实验。实验结果表明，采用 PI 算法进行控制时，系统响应时间仅为 0.2 s，位置稳态精度可达 99.38%，验证了所设计的控制器具有良好的动态性能和控制精度。关键词：电液伺服控制器；ARM；数字化程度；LABVIEW中图分类号：TH137文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.001电液伺服控制系统具有功率大、响应迅速等优点，被应用于军用、民用等多个领域。随着计算机技术、信息技术与电子技术高速结合发展，电液伺服控制器将向智能化、数字化、网络化的趋势发展。传统的电液伺服控制器功能简单，已不能满足现代工业发展的需要。文献1设计了单电源电液
3、伺服控制器，降低了控制器的功耗，但它仍采用纯模拟式控制，无法采用先进控制算法；近年来数字液压伺服控制技术得到飞速发展，文献2以电液伺服振动台为对象，设计了以FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门陈列）为核心的数子电液伺服控制器，得到了较好的控制效果；文献3-5分别以 ARM+FPGA、DSP（DigitalSignal Processing，数字信号处理）+FPGA 为架构对控制器进行了设计，减少了外围元器件的使用，但它均在软件编程上增加了开发难度；文献6将 DSP 技术与CPLD（Complex Programmable Logic Device，
4、复杂可编程逻辑器件）技术相结合，设计以 FPGA 为核心的数子电液伺服控制器，得到了较好的控制效果，但其驱动电路仅以单一放大器实现，易受负载变化影响；文献7-9将 DSP 作为主控芯片，应用于电液伺服位置系统，得到了良好的控制效果；文献10基于单片机对电液伺服控制系统进行了研究，取得了较好的控制效果。基于上述文献，本文以 ARM 微处理器为核心控制单元，采用集成数字式控制器件对控制器进行设计。为提高系统的可视化水平和便于调试，采用LABVIEW设计上位机界面，实时与上位机交互数据，将系统运行信息以曲线形式实时显示至上位机，以适应现代工业发展。1总体结构ARM 微控制器因其高性价比被广泛应用于各
5、类控制场合，通过对控制器的需求的分析，确定了以STM32F103VET6 作为电液伺服控制器主控芯片的设计方案。所设计的方案总体结构如图 1 所示，主要由上位机、A/D（Analog/Digital，模拟量到数字量的转换）、压 控 恒流 驱 动 电 路、反 馈 信号 调 理 电 路、D/A（Digital/Analog，数字量到模拟量的转换）、数据通信等部分组成，其中关键电路主要为压控恒流源驱动电路及反馈信号调理电路。电液伺服控制系统的主要工作过程为：由上位机发送控制指令，ARM 微处理器采用相应的数据通信方式接收指令信号，立即执行相关指令信号，反馈信号通过采集负载端的传感器模拟量电信号，该电
6、信号将被反馈至CPU（Central ProcessingUnit/Processor，中央处理器）接收并与指令信号进行比对计算，完成对整个伺服控制系统的闭环控制。图 1电液伺服控制系统结构框图2硬件电路设计2.1驱动模块设计驱动电路是控制器驱动执行机构的重要组成部分，为提高控制器的控制精度，D/A 转换电路采用的基金项目四川省教育厅重点科研项目“现代控制技术助力遂宁产业升级研究”（编号：17ZA0347）科技与创新Science and Technology&Innovation22023 年 第 13 期是外置 16 位高精度 DAC（Digital to Analog Converte，
7、数字模拟转换器）芯片 AD5542，AD5542 芯片的输出端经过电压跟随后与第一级运放 U1进行同相放大，用以产生驱动伺服阀所需的电流，同时与第二级运放 U2及电阻 R2构成级间负反馈，使得电路拥有高输入阻抗，用以提升输出电流的稳定性。采用此种方式所设计的压控恒流源电路结构，可使驱动电路的输出电流不容易受到负载的影响，即不受伺服阀线圈变换的影响。Rw采用高精度可调电阻，可根据驱动伺服阀类型不同，实时调整所需电流量程范围，使得控制器能够适用更多应用场合。压控恒流源驱动电路如图 2 所示。2.2采集模块设计反馈信号调理电路是整个控制器形成闭环的关键部分，所采集模拟量的精度决定着控制器的响应精度，
8、本部分信号调理电路的芯片采用外置16位高精度A/D转换芯片 AD7694，如图 3 所示。首先，通过 R6和 R11对传感器反馈的电压信号进行分压，一方面可使用较大量程的传感器提高采集精度；另一方面通过此种方式可保证所采集的电压在芯片所识别电压范围内，同时对所采集的电压量采用有源跟随方式进行滤波，用以提高反馈电压的稳定性。由于反馈信号的电压一般小于模数转换时所需的电压，为此在本部分电路设计中，对反馈信号进行电压抬升，取电源电路所输出的 2.5 V 电压。经过运放滤波后，与传感器反馈电压并联接入运放芯片U4的同相端，每路模拟信号均经过一级运放进行滤波，同时对芯片供电电源也进行了电压的稳压跟随，有
9、利于在抬升电压的同时进一步提高反馈信号的稳定性，削弱外界干扰的影响。图 2压控恒流源驱动电路图 3反馈信号调理电路2.3电源模块设计为使控制器各部分的模拟信号和数字信号互不干扰，提高控制器的抗干扰性，对控制器各用电模块所属类别进行了分类，电源分类情况如表 1 所示。根据分类情况，在控制器的电源模块中，设计了 2 路相同电路结构的+5 V 电源，对控制器的数字电路和模拟电路进行单独供电，电源模块电路如图 4 所示。2.4通信模块设计通讯电路设计如图5所示。采用SP3232EEN芯片，该芯片的供电电源为 3.3 V，通过与上位机配合，可对伺服控制器进行指令下发、监控运行状态、故障诊断、调试等。同时
10、该芯片的通信接口可拓展，预留的通信接口可通过接入 RS485 转换模块，以适应更多的工业应用场合，并且可使控制器的调试和系统升级更加便捷。表 1控制器电源分类表电源种类主要器件+24 V系统总电源15 V运算放大器+5 VAADC、DAC、稳压芯片等+5 VD电平转换器+3.3 VARM、下载电路、通信电路等+2.5 V采集抬升电压、ADCR425 kR125 kR225 kR325 kRw200 R550 15 V15 V+15 V+15 V+2.5 V+15 VR11R65 M1 M15 VR710 kR810 k15 V15 V+15 V+15 VR910 kR1010 kU1U2U3U
11、4U5Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期3图 4系统电源电路图 5通信电路3软件设计控制系统使用模块化编程，使软件运行可靠，通用性强且便于系统软件的扩展与修改。控制系统软件大致可以分为数据处理模块、通信任务模块、人机界面等模块。控制系统软件结构如图 6 所示。图 6控制系统软件结构图为提高所设计控制器的智能化程度和方便调试，采用 LABVIEW 软件设计了上位机，使得所设计的电液伺服控制器能够与上位机进行实时数据交互，可通过上位机直接以数字信号的形式发送控制指令，并将实时运行状态、采集信息、等通过相应的通信方式反馈至上位机，使
12、系统可视化，无需另外进行曲线拟合。上位机激励信号程序如图 7 所示。数据采集及处理程序如图 8 所示。上位机界面设计如图 9 所示。图 7上位机激励信号程序图 8数据采集及处理程序+24 V22 H0.01 F10 F0.1 FR110 kR210 k47 F0.01 F10 F0.1 F3.24 k10 k+5 VD0.1 F+3.3 V22 F+24 V+15 V10 F0.1 F0.1 F10 F+5 VA15 V+2.5 V+3.3 V0.1 F10 F0.1 F0.1 F0.1 F0.1 FA/DD/A信号类型偏移量幅值频率相位初值选取采样信息无错误初值选取写入指令值写入字节至端口上
13、次剩余未处理数据未处理数据科技与创新Science and Technology&Innovation42023 年 第 13 期图 9上位机界面设计4实验验证为验证所设计的控制器的合理性，所搭建电液伺服位置系统的实验台如图 10 所示。实验中所采用的液压伺服油缸行程为 100 mm、缸径为 85 mm，伺服阀额定压力为 21 MPa、额定流量为 15 L/min、额定电流为10 mA，LVDT 位移传感器输出电压为 010 V。图 10电液位置伺服系统实验平台首先，采用 80 mm 阶跃信号作为系统的位置指令，得到系统响应阶跃曲线，如图 11 所示。根据实验结果可知，系统的响应时间仅为 0.
14、2 s 左右，其最大稳态误差大约为 0.5 mm，稳态精度可达 99.38%。图 11系统阶跃响应曲线进一步给定位置指令为 r=60sint 的正弦位置信号，位置跟踪仿真波形如图 12 所示，系统位置误差曲线如图 13 所示，位置最大误差约为 3 mm，满足设计要求。图 12正弦位置跟踪曲线图 13位置跟踪误差曲线5结论结合电液伺服控制系统的特点，提出一种以 ARM为核心的智能电液伺服控制器设计方案，并结合LABVIEW 设计上位机，可节约硬件资源和缩短开发周期。实验结果表明，控制器 CPU 运算速度快、动态响应迅速、可靠性高、抗扰能力强；能够实现先进的数字控制算法，并可根据控制效果的优劣调整
15、控制算法，从而达到提高控制器的控制效果、运算速度和可靠性的目的。另外，本文所提出的设计方案智能化与集成化程度高，具备远程控制、故障报警等功能。参考文献：1徐明天，曹恒，江金林，等.单电源液压伺服放大器的研制J.华东理工大学学报（自然科学版），2017，43（2）：292-296.2舒杨，宋琼，黎启胜，等.基于 FPGA 的电液振动台数字伺服控制器设计J.机床与液压，2013，41（15）：148-150.3王家乐，张静，郭闻，等.多通道双闭环伺服控制器的研制J.机床与液压，2017，45（8）：151-155.4杨韧，任德志，徐莉萍.基于 DSP 和 FPGA 的电液伺服控制器的设计J.机床与
16、液压，2012，40（18）：112-114，139.5李永宁，王民钢，樊英平，等.数字式液压伺服系统控制器设计J.机床与液压，2011，39（7）：66-68.6张岩，徐莉萍，任德志.基于 DSP 的多通道多功能电液运动控制器的设计J.液压与气动，2009（2）：63-66.（下转第 7 页）时间/s时间/s时间/s时间/sScience and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期7助大数据挖掘并筛选大量灾害事故案例，并结合贝叶斯网络等传统分析手段及“云计算”等新兴信息时代技术分析“冒顶片帮”事故，提高灾害事故分析及预防的准确性，从而实现对矿山的安全化管理，并促进大数据在矿山领域得到更广泛的应用。3结论本文应用 VOS viewer 软件对国内“冒顶片帮”和“大数据矿山”的高质量期刊进行了计量分析，得出 2大领域潜在共同研究热点和活跃作者。同时根据文献计量分析，有针对性地分析了国内 2 大领域集成研究现状，得出以下结论及展望。国内大数据矿山文献年发表数量逐年递增，而“冒顶片帮”文献则相反，相关研究遇到阻碍，新的研究手段亟待引入；国内“冒顶片
