基于CompactRIO的电液伺服机构实时测控平台设计

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电液伺服控制系统在控制领域占有重要的地位，特别是在大功率、快速、精确的控制工程中起到了举足轻重的作用。电液伺服机构是电液伺服系统不可缺少的组成部分，它的性能影响着伺服系统的静动态性能，在超精密加工、机器人、航天器姿控系统、火炮雷达随动系统等关键诚可以决定了任务的成败，因此对电液伺服机构的研究就显得尤为重要。由于电液伺服机构往往工作在极端的诚，且对测试和控制的实时性要求极高，采用传统测控平台很难适应苛刻的环境要求，而且存在着开发周期长、系统重配置困难、不易加入先进的控制策略等缺点。因此，本研究选择了基于NI CompctRIO嵌入式系统技术，建立电液伺服机构的测控试验平台，依托此平台可以对电液伺服机构进行各种检验和测试，开展伺服机构控制性能优化以及控制策略控制方法的研究。

1 NI CompactRIO平台介绍NI CompctRIO是-种小巧而坚固的工业控制和采集系统，采用可重新配置 I/O(reconfigurable I/0，缩写为 RIO)、FPGA技术实现超高性能和可 自定义功能，主要由三部分组成--实时控制器、可重新配置的FPGA(现成编程门阵列)和工业级 I/O拈 J。NICompctRIO具有低成本开放性结构，用户可以轻松访问到底层的硬件设备，而且可以使用高效的 LabVIEW图形化编程工具进行快速开发。利用它用户可以快速的建立嵌入式控制和采集系统，而且该系统的工作性能和优化特性可与专 门定制设计的硬件电路媲美。

l ：i - 三LL山 ； ： L - 信 县 镧 琊 ⑦ - ：i F十-[亘I- 信号调理LabVIEW LabvIEW实时系统 FPGA -H耍 ]-l信号调理I：I/O拈图1 CompctRIO平台硬件组成示意图2 系统的组成电液伺服机构实时测控平台主要由伺服机构试验台本体和测控系统组成。伺服机构试验台本体包括执收稿 日期 ：2012-1l-09作者简介：王凯(1988-)，男 ，山东高密人，硕士研究生，主要从事导弹武器系统检测与诊断技术的研究工作。

2013年第5期 液压与气动 33行机构、加载机构、液压泵站、温控系统等。测控系统硬件主要采用某公司 CompactRIO集成化系统，配合欧姆龙 PLC等设备完成模拟量、数字量、开关量的获取和发送-发软件采用某公司 LabVIEW 图形化开发工具，包含对实时测控过程的控制及响应信号的处理，完成状态监控 和数据处理。测控系统结构如 图 2所示。

充当上位机lcRIQ9o25集成化系统塞 -NI 9-485 数据采集、 - 执行控制 INI 9203算法、响 NI 9263应上位机 - 发来指令 驱动器 - - j图 2 伺服机构 买时测控平 台组成框 图该系统主要实现 4个功能：-是数据的采集和监视，即通过配置 NI9203、PLC获得系统整体状态和伺服机构实时数据；二是执行测试控制流程，实时控制器解算控制算法，根据给定的流程自动生成控制步骤，完成系统测试和控制需要；三是系统安全检测和应急响应；四是数据后处理，包括分布式测量、测试数据分析、用户控制等。

3 测控系统硬件设计上位机选用 IPC-610L型工控机，配备了主频 2.2GHz的 Intel双核处理器，2G内存，带有 PCI和 ISA插槽，19寸液晶显示器和网卡。

可编程控制器选用了 CP1H系列的 PLC，具体型号为：CP1H.XA40DR-A。具有 4路模拟输入，2路模拟输出和24点开关量输入，16点开关量输出。主要对系统 电机启停、安全联锁、报警等功能进行 自动控制。

由于电液伺服机构测试对极端工业现撤境的适应能力、实时处理、系统安全保护等诸多要求，经多次选型比较，采用 CompactRIO嵌入式平台，配置具备FPGA编程 CompactRIO 9075集成化系统，基于测量需要 、传感器输出范围以及系统安全性考虑，选用模拟量输入拈 NI 9203、模拟量输出拈 NI 9263和固态继电器拈 NI 9485SSR。

(1)NI 9075集成了400 MHz工业实时处理器和LX25 FPGA，而且具有4个用于 NI C系列 I/0拈的插槽，系统的其他功能拈都可以插在这个插槽内，同时具有用于嵌入式操作的 128MB DRAM和用于数据记录的256MB非易失性存储器。NI 9075还提供了10/100Mbit/s以太网端口，可以用共享变量的方式与工控机建立实时数据通信；(2)NI 9203 NI 9203是 8通道 16位分辨率的模拟电流输入拈，采样率达到 200 KS/s，有 ±20 mA、0～20 mA可编程输入范围；(3)NI 9263 NI 9263是4通道 16位同步更新模拟输出拈，采样速率为 100 KS/s，额定输出电压为-4-10 V，电流驱动能力为 ±1 A/通道；(4)NI 9485 NI 9485是带有 8通道数字输出的常开固态继 电器 (SSR)，4通道的切换 电流为每通道1.2 A，单个通道的最大切换电流为750 mA，继电器关闭时间 9.0 ms，而开启时间短达 0.5 ms。

4 测控 系统软件设计试验系统软件基于 LabVIEw 图形化编程语言的开发环境，结合 CompactRIO嵌入式控制器开发完成。

主要实现了系统状态的监控、极性的判断以及伺服机构静动态特性测试和数据后处理。测试控制系统程序主要分为下位机程序和上位机程序，其中下位机程序又分为 FPGA程序和实时控制程序。FPGA程序直接对自行配置的I/O端口进行读写、滤波、调理操作，程序经编译后下载到 FPGA上，实现程序的硬件化执行；实时控制程序直接对 FPGA上程序前面板的所有输入输出控件进行读写，接收 DMA FIFO数据，执行控制算法，同时通过已建立的网络共享变量与上位机程序建立通信；上位机程序通过 LabVIEW Rea1.Time拈和DSC拈设计，在工控机上执行，主要实现监控、处理 、人机交互 。

4.1 FPGA程序系统的数据采集、滤波、调理和底层 PID控制程序都是在 FPGA中实现的，通过可重新配置 FPGA实现可编程的硬件化控制。在安装了 Real-Time拈和FPGA拈的LabVIEW平台上实现对 FPGA程序的设计、编译、下载和运行监控。

由于伺服机构的位移、速度、角度、负载测量对实时性要求较高，为了准确获取信息，这里采用 DMAFIFO的采集方式；而流量、压力、油温、液位、电机启停、压力继电器状态变化较为缓慢，对实时性要求不高，为不过多占用实时控制器的资源，不必送人 FIFO。

站[ 行构rL控统- 两泵- -执机- -温系逻上 -量应令- 蒜掣源控机油辑位34 液压与气动 2013年第 5期数据采集 FPGA程序主要是完成采样率的设置、滤波、调理和将采集到的数据写入 FIFO等工作。在编写程序之前，需要对 FIFO进行属性设置，本系统统- 将数据传递方向设置为Target to Host.DMA”，数据类型设置为FXP”，元素数设置为1023”。程序编写过程中主要用到了两个控件，-个是 FPGA I/O Node控件，负责数据的采集工作；另-个是 FPGA Write控件，负责将采集到的数据写入 FIFO。程序编写完成后，需要在线编译，生成 FPGA可以识别的比特文件，然后下载到 FPGA芯片中运行。其数据采集流程图如图3所示 。

图 3 数据采集 FPGA VI流程图由于 LabVIEW FPGA在实际的硬件设备上执行图形化程序框图，FPGA算法的表现要远远优于基于软件的系统。因此针对开放实验对高级 PID控制的需求，优化系统整体执行效率，将底层 PID算法部署至FPGA底板上执行，同时预留状态参数接 口，为实验拓展拈化提供便利。FPGA程序主要基于 LabVIEWFPGA拈开发，为进-步提升程序执行效率，FPGA程序的运算均采用高速数学函数。FPGA程序如图4所示。

图 4 FPGA程序图4.2 数据 实时传输、处理与控制程序数据实时传输、处理与控制程序完成系统的主体功能，程序部署于NI CompactRIO 9075实时控制器，通过 DMA FIFO与FPGA引用实时接收经 FPGA程序处理的数据，接收上位机控制命令进行数据的接收解释与指令的发送。同时，使用 LabVIEW 自带的逐点分析工具包完成信号的实时变换、运算、滤波和谱分析工作。为了简化网络通信编程，本系统使用了共享变量技术实现 CompactRIO与上位机的通信，共享变量部署于实时控制器，以保证其不受工控机干扰可靠稳定运行 。

4.3 上位机程序上位机程序不涉及具体功能的实现，主要完成程序的整体组织、用户交互、数据后处理。上位机程序通过网络共享变量获得实时控制器的数据，基于 OPC技术实现与欧姆龙 PLC的通信，同时将用户的指令传递到实时控制器或 PLC执行。主界面的前面板设计如图5所示，主要由极性判断、静态特性、动态特性、开放实验四部分组成。程序主体是基于事件的生产者消费者架构，使用了普通基于枚举的状态机(FSM)实现测试实验步骤的封装，处理单个流程的步骤转换。上位机程序的VI层次结构如图6所示。

图 5 上位机程序主界面固图6 上位机程序 VI层次结构以对系统静态特l生测试为例，待测对象为某设备的单摆电液位置伺服机构。单摆电液位置伺服机构初始位置为60 mil，回环幅度为20 mm，固定载荷为45 kg，油温 17.3℃，压力9.6 MPa，增益为3.1851。从图7可以得到，阶跃响应线性度为0.7065，滞环为 16.295%，零位偏差为 -1.6371。多次试验证明，利用 CompactRIO技术构建的该试验平台系统稳定，可靠性高，可以满足测试试验的需要。

2013年第5期 液压与气动 35DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.05.010基于高速开关阀的 AMT换挡力控制研究陈加宝 ，刘海鸥 ，彭建鑫AMT Shifting Force S Control Based on High Speed On-of ValveCHEN Jia-bao -，LIU Hai-OU ，PENG Jian-xin(1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081；2.中国北方工业公司，北京 100053)摘 要：换挡过程中换挡力的控制是AMT系统的关键技术之-。对于电控液动式 AMT，可以通过高速开关阀的脉宽调制(PWM)控制实现换挡力的控制。该文中首先分析了PWM控制方式下高速开关阀的工作特性；然后基于电磁阀开/关”特性试验及静态流量理论，提出了确定PWM调制控制周期和占空比的方法；最后，进行了静态调压试验和动态换挡过程控制试验。试验结果表明，该方法能够根据已知油源压力范围确定满足 目标控制要求的PWM控制参数。

关键词：高速开关阀；调压试验；PWM；换挡力控制；AMT中图分类号：TH137；U463.21 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)05-0035-06引言机械式自动变速器(AMT)在重型越野车辆上的应用实现了离合器和鸦挡操纵的自动化控制，减轻了驾驶员的劳动强度，同时保留了手动变速器传动效率高的优点。其中，电控液动式 AMT系统应用较为广收稿 日期 ：2012-11-09基金项 目：国家 863典 型电动汽车试验评价与研究”项 目(2011AA11A252)作者简介：陈加宝(1987-)，男，山东人，硕士，主要从事自动换挡控制研究等工作。

暴基图 7 位置 回环试验结果5 结论NI CompctRIO是-种高可靠性的嵌入式工业控制器，具有丰富的软硬件资源，对现场输人输出拈的读写和数据处理都是在 FPGA中通过编程实现的，响应速度快、可靠性高。本研究构建的测控平台能够实时高质量地完成数据采集、信号处理、数据传送、数据存储和自动控制的工作。整个系统的编程环境为统-的 LabVIEW图形化编程界面，利用其丰富的函数库，缩短了系统开发时间。该测控平台为进-步研究电液伺服机构的非线性特性、时变特性、温升特性和控制策略打下了良好的基矗