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拖動的旋轉(zhuǎn)式液壓閥。
背景技術(shù)：
液壓比例閥和伺服閥是流體傳動中用于控制液體壓力、流量和方向的關(guān)鍵元件。隨著機械設計制造技術(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)動式旋轉(zhuǎn)液壓閥是一個重要發(fā)展方向，如文獻(I)張光瓊，單級轉(zhuǎn)軸式旋轉(zhuǎn)電液伺服閥，機床與液壓，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?zhí)?00410004538. 6 ;(3 )莊健、于德弘、陳振國、于新堂，一種擺動式液壓比例、伺服閥，專利號:201010232291 ; (4)張峻、孫福東等，一種旋轉(zhuǎn)閥，專利號03253342. X。文獻(I)采用極化式雙向旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵作為驅(qū)動器；文獻(2)采用步進電機作為驅(qū)動器；文獻(3)采用直流無刷電機作為驅(qū)動器；文獻(4)將閥門閘板制成椎體，采用手柄驅(qū)動。此類新型閥 的驅(qū)動多為旋轉(zhuǎn)式的，因此閥體也多相應的采用旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。而這些新式結(jié)構(gòu)又推動了控制器的發(fā)展，相關(guān)的專利包括(5)王虎，比例閥控制器，申請?zhí)?00820215988. 3 ;(6)簡 范考溫伯格，巴特 科爾佩爾特等，電磁閥控制器，申請?zhí)?00680031478. 4 ；(7)田青來，朱國雄，微電腦比例閥控制器，申請?zhí)?9200044.0 ; (8)袁志國，王成閣，一種伺服閥驅(qū)動電路，申請?zhí)?00810049469. 9。文獻(5)設計硬件電路使得輸出端電流跟隨控制端變化，電路起到放大保護作用；文獻(6)發(fā)明的電磁閥控制器用于機動車ABS/ESP中，采用磁性線圈控制一個彈性體件的運動，繼而改變與彈性體相連的液壓裝置的工作狀態(tài)；文獻(7)發(fā)明的控制器采用單片機完成通信、顯示、鍵盤、選通輸入、輸出驅(qū)動等動作，采用可編程邏輯芯片控制輸出驅(qū)動電路；文獻(8)設計一種硬件電路用于正相或反相驅(qū)動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)重于保護電路或驅(qū)動電路的搭建，對系統(tǒng)構(gòu)架及人機交互考慮較少，雖然也有采用單片機組建的微處理系統(tǒng)，但受單片機性能影響，此控制器控制性能必定相對較差。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，本發(fā)明提供一種直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥控制芯片，芯片被細分為10個相互間并行操作的處理單元時鐘單元、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定目標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，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量值傳輸給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)設定目標、當前運行狀態(tài)和自身存儲的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三相橋各路通斷，進而改變直驅(qū)式旋轉(zhuǎn)液壓閥的工作狀態(tài)，達到控制效果；數(shù)據(jù)讀寫單元用于讀寫系統(tǒng)工作狀態(tài)；LCD單元用于實時顯示當前工作狀態(tài)；DA單元給外接傳感器提供精確模擬電量；作業(yè)中各個單元并行操作，工作時序由時鐘單元給定。在程序調(diào)試過程中，首先實現(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言——VHDL編制程序，然后將程序下載到現(xiàn)場可編程門陣列——FPGA中進行設計優(yōu)化，改進算法、參數(shù)，經(jīng)驗證后利用硬件設計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)明既可采集被控對象的數(shù)字反饋值又可采集模擬反饋值，在控制閥體動作前根據(jù)實際傳感器類型進行相應選擇，適用范圍大大增加；同時具有良好的人機交互，可通過LCD顯示器讀出現(xiàn)實工作狀態(tài)，也可通過內(nèi)存讀取出整個控制過程的全紀錄。由于芯片中執(zhí)行程序的是硬件電路，可靠性更強，且并行操作的特性帶來更快的計算速度。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] 具體實施方法如圖I所示，本發(fā)明的控制芯片分為10個相互間并行操作的處理單元時鐘單元、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定目標(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)字傳感器測量值(5) ;AD單元控制外接AD轉(zhuǎn)換芯片采集模擬傳感器測量值(3)，并將其傳送給濾波單元；濾波單元將處理后的測量值
(7)傳輸給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)設定目標(2)、實際運行狀態(tài)(7)和自身存儲的PID參數(shù)求解出控制量(8);輸出單元利用控制量(8)控制直流無刷電機三相橋各路通斷，進而改變直驅(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單元用于實時顯示當前工作狀態(tài)；DA單元給外接傳感器提供精確模擬電量；時鐘單元用于統(tǒng) 一各單元操作時序。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驅(qū)動器與本控制芯片對應接口相連，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，芯片上電后對內(nèi)部變量進行初始化操作，然后進行系統(tǒng)設置，確定反饋形式、控制對象、控制目標，設置好相應參數(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，對采集到的傳感器數(shù)值進行濾波處理得出現(xiàn)實工作狀態(tài)；以下4步同時進行第4. I步是將處理得到的現(xiàn)實工作狀態(tài)和控制目標等實時顯示；第4. 2步是利用通信單元將設定好的狀態(tài)變量(如閥芯角位移、液壓缸位移、液壓閥進出口壓力、流量)和控制效果傳輸給上位機；
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)設定目標(2)、實際運行狀態(tài)(7)和自身存儲的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)動直流無刷電機三相橋各路通斷，進而改變直驅(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分為10個相互間并行操作的處理單元時鐘單元、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定目標(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)字傳感器測量值(5) ;AD單元控制外接AD轉(zhuǎn)換芯片采集模擬傳感器測量值(3)，并將其傳送給濾波單元；濾波單元將處理后的測量值(7)傳輸給PID求解單元；PID求解單元根據(jù)設定目標(2)、實際運行狀態(tài)(7)和自身存儲的PID參數(shù)求解出控制量⑶；輸出單元利用控制量⑶控制直流無刷電機三相橋各路通斷，進而改變直驅(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單元用于實時顯示當前工作狀態(tài)；DA單元給外接傳感器提供精確模擬電量；時鐘單元用于統(tǒng)一各單元操作時序。
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象為由直流無刷電機直接驅(qū)動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)，當被控對象采用數(shù)字傳感器反饋數(shù)字量時，利用IO單元采集其反饋值；當被控對象采用模擬傳感器反饋電壓值時利用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。
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拖動的旋轉(zhuǎn)式液壓閥。本控制芯片細分為10個相互間并行操作的處理單元時鐘單元、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獲取設定的控制目標并反饋當前狀態(tài)；IO單元、AD單元和濾波單元用于讀取被控制對象的工作狀態(tài)；PID求解單元利用控制目標和現(xiàn)時狀態(tài)計算出控制占空比；輸出單元利用PID求解單元計算值控制直流無刷電機三相橋各路通斷。本芯片通過內(nèi)部硬件電路并行處理各單元程序，計算速度快，使用可靠。
文檔編號F16K31/02GK102720877SQ20121018669
公開日2012年10月10日 申請日期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 申請人:西安交通大學