專利名稱：直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片涉及比例閥、伺服閥控制器領(lǐng)域，用于控制由直流無刷電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式液壓閥。
背景技術(shù)：
液壓比例閥和伺服閥是流體傳動(dòng)中用于控制液體壓力、流量和方向的關(guān)鍵元件。隨著機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，新型結(jié)構(gòu)的比例閥和伺服閥不斷涌現(xiàn)，其中直接驅(qū)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)液壓閥是一個(gè)重要發(fā)展方向，如文獻(xiàn)(I)張光瓊，單級(jí)轉(zhuǎn)軸式旋轉(zhuǎn)電液伺服閥，機(jī)床與液壓，1991 (2) :34-38 ; (2)焦宗夏、李樹立、郭宏，有限角度旋轉(zhuǎn)式電液伺服閥，申請(qǐng)?zhí)?00410004538. 6 ;(3 )莊健、于德弘、陳振國(guó)、于新堂，一種擺動(dòng)式液壓比例、伺服閥，專利號(hào):201010232291 ; (4)張峻、孫福東等，一種旋轉(zhuǎn)閥，專利號(hào)03253342. X。文獻(xiàn)(I)采用極化式雙向旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)器；文獻(xiàn)(2)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器；文獻(xiàn)(3)采用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器；文獻(xiàn)(4)將閥門閘板制成椎體，采用手柄驅(qū)動(dòng)。此類新型閥 的驅(qū)動(dòng)多為旋轉(zhuǎn)式的，因此閥體也多相應(yīng)的采用旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。而這些新式結(jié)構(gòu)又推動(dòng)了控制器的發(fā)展，相關(guān)的專利包括(5)王虎，比例閥控制器，申請(qǐng)?zhí)?00820215988. 3 ;(6)簡(jiǎn) 范考溫伯格，巴特 科爾佩爾特等，電磁閥控制器，申請(qǐng)?zhí)?00680031478. 4 ；(7)田青來，朱國(guó)雄，微電腦比例閥控制器，申請(qǐng)?zhí)?9200044.0 ; (8)袁志國(guó)，王成閣，一種伺服閥驅(qū)動(dòng)電路，申請(qǐng)?zhí)?00810049469. 9。文獻(xiàn)(5)設(shè)計(jì)硬件電路使得輸出端電流跟隨控制端變化，電路起到放大保護(hù)作用；文獻(xiàn)(6)發(fā)明的電磁閥控制器用于機(jī)動(dòng)車ABS/ESP中，采用磁性線圈控制一個(gè)彈性體件的運(yùn)動(dòng)，繼而改變與彈性體相連的液壓裝置的工作狀態(tài)；文獻(xiàn)(7)發(fā)明的控制器采用單片機(jī)完成通信、顯示、鍵盤、選通輸入、輸出驅(qū)動(dòng)等動(dòng)作，采用可編程邏輯芯片控制輸出驅(qū)動(dòng)電路；文獻(xiàn)(8)設(shè)計(jì)一種硬件電路用于正相或反相驅(qū)動(dòng)伺服閥并顯示伺服閥的工作狀態(tài)。上述控制器專利多側(cè)重于保護(hù)電路或驅(qū)動(dòng)電路的搭建，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架及人機(jī)交互考慮較少，雖然也有采用單片機(jī)組建的微處理系統(tǒng)，但受單片機(jī)性能影響，此控制器控制性能必定相對(duì)較差。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片，芯片被細(xì)分為10個(gè)相互間并行操作的處理單元時(shí)鐘單元、IO單元、通信單元、DA單元、AD單元、濾波單元、數(shù)據(jù)讀寫單元、PID求解單元、輸出單元、IXD顯示單元通信單元通過外圍通訊接口得到設(shè)定目標(biāo)并將其傳送給芯片內(nèi)PID求解單元，亦可以通過外接鍵盤完成人機(jī)交互通信；IO單元除控制I/O 口外還可以采集數(shù)字傳感器測(cè)量值，如利用編碼器采集液壓閥閥芯角位移、液壓執(zhí)行器的位移、角位移；而若液壓閥或執(zhí)行器采用電壓、電流、電阻等模擬量反饋時(shí)，即可利用AD單元控制外接AD轉(zhuǎn)換芯片采集；10單元和AD單元在完成數(shù)據(jù)采集后將其傳送給濾波單元，濾波單元將處理后的測(cè)量值傳輸給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)設(shè)定目標(biāo)、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和自身存儲(chǔ)的PID參數(shù)求解控制量；輸出單元利用控制量控制直流無刷電機(jī)三相橋各路通斷，進(jìn)而改變直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥的工作狀態(tài)，達(dá)到控制效果；數(shù)據(jù)讀寫單元用于讀寫系統(tǒng)工作狀態(tài)；LCD單元用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)；DA單元給外接傳感器提供精確模擬電量；作業(yè)中各個(gè)單元并行操作，工作時(shí)序由時(shí)鐘單元給定。在程序調(diào)試過程中，首先實(shí)現(xiàn)智能控制算法的片上化，采用超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言——VHDL編制程序，然后將程序下載到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列——FPGA中進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，改進(jìn)算法、參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)證后利用硬件設(shè)計(jì)圖制備專用集成電路——ASIC，即可得出直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片。新型閥控制器工作系統(tǒng)如圖3所示，本發(fā)明既可采集被控對(duì)象的數(shù)字反饋值又可采集模擬反饋值，在控制閥體動(dòng)作前根據(jù)實(shí)際傳感器類型進(jìn)行相應(yīng)選擇，適用范圍大大增加；同時(shí)具有良好的人機(jī)交互，可通過LCD顯示器讀出現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)，也可通過內(nèi)存讀取出整個(gè)控制過程的全紀(jì)錄。由于芯片中執(zhí)行程序的是硬件電路，可靠性更強(qiáng)，且并行操作的特性帶來更快的計(jì)算速度。專用芯片批量生產(chǎn)后還可降低成本。


圖I為直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片構(gòu)成圖。圖2為直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片控制方法的算法流程。圖3為直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
_9] 具體實(shí)施方法如圖I所示，本發(fā)明的控制芯片分為10個(gè)相互間并行操作的處理單元時(shí)鐘單元、IO單元、通信單元、DA單元、AD單元、濾波單元、數(shù)據(jù)讀寫單元、PID求解單元、輸出單元、IXD顯示單元，其中通信單元通過外圍通訊接口得到設(shè)定目標(biāo)(I)并將其傳送給芯片內(nèi)PID求解單元；IO單元除控制I/O 口外還可以采集數(shù)字傳感器測(cè)量值(5) ;AD單元控制外接AD轉(zhuǎn)換芯片采集模擬傳感器測(cè)量值(3)，并將其傳送給濾波單元；濾波單元將處理后的測(cè)量值
(7)傳輸給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)設(shè)定目標(biāo)(2)、實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)(7)和自身存儲(chǔ)的PID參數(shù)求解出控制量(8);輸出單元利用控制量(8)控制直流無刷電機(jī)三相橋各路通斷，進(jìn)而改變直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥的工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)讀寫單元用于讀寫系統(tǒng)工作狀態(tài)；LCD單元用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)；DA單元給外接傳感器提供精確模擬電量；時(shí)鐘單元用于統(tǒng) 一各單元操作時(shí)序。具體工程操作如圖2所示，包括以下步驟第I步為硬件安裝，將被控比例閥或伺服閥上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與本控制芯片對(duì)應(yīng)接口相連，將傳感器與控制芯片的AD單元或IO單元相連；第2步是芯片初始化操作，芯片上電后對(duì)內(nèi)部變量進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，確定反饋形式、控制對(duì)象、控制目標(biāo)，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)；第3步是傳感器數(shù)據(jù)采集，利用DA單元給傳感器提供穩(wěn)定電壓，對(duì)采集到的傳感器數(shù)值進(jìn)行濾波處理得出現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)；以下4步同時(shí)進(jìn)行第4. I步是將處理得到的現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)和控制目標(biāo)等實(shí)時(shí)顯示；第4. 2步是利用通信單元將設(shè)定好的狀態(tài)變量(如閥芯角位移、液壓缸位移、液壓閥進(jìn)出口壓力、流量)和控制效果傳輸給上位機(jī)；
第4. 3步是利用數(shù)據(jù)讀寫單元記錄有關(guān)的狀態(tài)變量和控制效果；第4. 4步是PID求解單元根據(jù)設(shè)定目標(biāo)(2)、實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)(7)和自身存儲(chǔ)的PID參數(shù)求解出控制量；第5步是輸出單元利用控制量驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)三相橋各路通斷，進(jìn)而改變直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥的工作狀態(tài)；第6步是判定是否滿足結(jié)束條件或接受到結(jié)束命令，若沒有結(jié)束則繼續(xù)跳轉(zhuǎn)第3 步執(zhí)行，否則完成控制過程。
權(quán)利要求
1.直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片，其特征在于將控制芯片細(xì)分為10個(gè)相互間并行操作的處理單元時(shí)鐘單元、IO單元、通信單元、DA單元、AD單元、濾波單元、數(shù)據(jù)讀寫單元、PID求解單元、輸出單元、LCD顯示單元，其中通信單元通過外圍通訊接口得到設(shè)定目標(biāo)(I)并將其傳送給芯片內(nèi)PID求解單元；IO單元除控制I/O 口并采集數(shù)字傳感器測(cè)量值(5) ;AD單元控制外接AD轉(zhuǎn)換芯片采集模擬傳感器測(cè)量值(3)，并將其傳送給濾波單元；濾波單元將處理后的測(cè)量值(7)傳輸給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)設(shè)定目標(biāo)(2)、實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)(7)和自身存儲(chǔ)的PID參數(shù)求解出控制量⑶；輸出單元利用控制量⑶控制直流無刷電機(jī)三相橋各路通斷，進(jìn)而改變直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥的工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)讀寫單元用于讀寫系統(tǒng)工作狀態(tài)；LCD單元用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)；DA單元給外接傳感器提供精確模擬電量；時(shí)鐘單元用于統(tǒng)一各單元操作時(shí)序。
2.如權(quán)利要求I所述的控制芯片，其特征在于輸出單元控制對(duì)象為由直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的液壓比例閥或伺服閥。
3.如權(quán)利要求I所述的控制芯片，其特征在于采集被控制液壓閥和液壓執(zhí)行器的工作狀態(tài)，當(dāng)被控對(duì)象采用數(shù)字傳感器反饋數(shù)字量時(shí)，利用IO單元采集其反饋值；當(dāng)被控對(duì)象采用模擬傳感器反饋電壓值時(shí)利用AD單元采集其反饋值。
4.如權(quán)利要求3所述的控制芯片，其特征在于所述液壓執(zhí)行器為液壓缸或液壓馬達(dá)。
全文摘要
直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片，用于控制由直流無刷電機(jī)拖動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式液壓閥。本控制芯片細(xì)分為10個(gè)相互間并行操作的處理單元時(shí)鐘單元、IO單元、通信單元、DA單元、AD單元、濾波單元、數(shù)據(jù)讀寫單元、PID求解單元、輸出單元、LCD顯示單元。其中通信單元從上位機(jī)獲取設(shè)定的控制目標(biāo)并反饋當(dāng)前狀態(tài)；IO單元、AD單元和濾波單元用于讀取被控制對(duì)象的工作狀態(tài)；PID求解單元利用控制目標(biāo)和現(xiàn)時(shí)狀態(tài)計(jì)算出控制占空比；輸出單元利用PID求解單元計(jì)算值控制直流無刷電機(jī)三相橋各路通斷。本芯片通過內(nèi)部硬件電路并行處理各單元程序，計(jì)算速度快，使用可靠。
文檔編號(hào)F16K31/02GK102720877SQ20121018669
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者俞玨, 莊健 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)