基于STM32的比例阀控气缸位置伺服控制器_罗辉.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 07 05基金项目:国家自然科学基金资助项目(52075223);中国博士后基金资助项目(2021M691308);江苏省博士后基金资助项目(2021K261B)作者简介:罗辉(1998 )，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事流体传动与控制方面的研究。E-mail:1461697306 qq com通信联系人:钱鹏飞，男，博士，副教授，博士生导师。E-mail:pengfeiqian zju edu cnDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 008基于 STM32 的比例阀控气缸位置伺服控制器*罗辉1，汪达军2，舒春辉3，杜明泽1，吴佳伟1，钱鹏飞1*(1 江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013;2 星宇电子(宁波)有限公司，浙江 宁波 315514;3 宁波市鑫潮自动化元件有限公司，浙江 宁波 315502)摘要:传统的工控机控制系统具有成本高、功耗高、体积大、操作复杂等特点，针对这些问题，提出了一种基于嵌入式技术的比例方向阀控气缸位置伺服控制方法。首先，分析了气动位置伺服控制器的实际需求，设计了控制器的最小系统、主控板、模数扩展板和数模扩展板的硬件电路;然后，在集成开发环境 Keil MDK 下，使用 C 语言进行了嵌入式软件编写，在跨平台嵌入式软件编程环境 Qt下，使用 Visual C+语言进行了上位机软件编写;最后，为了验证气动位置伺服控制器的有效性，搭建了比例方向阀控气缸位置伺服控制实验平台，利用所开发的嵌入式气动位置伺服控制器，分别进行了气缸的定位控制和轨迹跟踪实验。实验结果表明:该伺服控制器能够简单、有效地实现气缸位置控制的目的，在跟踪频率为 0 5 Hz 的参考轨迹时，轨迹跟踪最大误差约为 4 6 mm;在跟踪频率为 0 25 Hz 的参考轨迹时，轨迹跟踪最大误差约为 3 1 mm。研究结果表明:该位置伺服控制方法具有良好的控制性能，能够适用于对控制精度要求不是特别苛刻的场合。关键词:气压传动;比例方向阀;气缸;气动伺服控制器;定位控制;轨迹跟踪中图分类号:TH138;TP23文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0218 07Position servo controller for proportional valve controlled pneumaticcylinders based on STM32LUO Hui1，WANG Da-jun2，SHU Chun-hui3，DU Ming-ze1，WU Jia-wei1，QIAN Peng-fei1*(1 School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China;2 Xingyu Electronics Co，Ltd，Ningbo 315514，China;3 Ningbo Xinchao Automatization Component Co，Ltd，Ningbo 315500，China)Abstract:Aiming at the problem of expensive cost，high power consumption，large volume and complicated operation for industrial personalcomputer control system，a position servo control method of proportional directional valve-controlled pneumatic cylinder based on embeddedtechnology was proposed Firstly，the actual requirements of the pneumatic position servo controller were analyzed，and the hardware circuitsof the minimum system，main control board，analog to digital expansion board and digital to analog expansion board for the controller weredesigned Then，the embedded software was written in the integrated development environment Keil MDK using combined programminglanguage，and the upper computer software was written in the cross-platform embedded software programming environment Qt using VisualC+language Finally，the position servo control test platform of proportional direction valve-controlled pneumatic cylinder was built，andthe positioning control and trajectory tracking test of the pneumatic cylinder were carried out using the developed embedded pneumaticposition servo controller The research results show that the servo controller can effectively and simply realize the position control of thepneumatic cylinder When tracking the 0 5 Hz sinusoidal reference trajectory，the maximum error is about 4 6 mm;and when tracking the0 25 Hz sinusoidal trajectory，the maximum error is about 3 1 mm The proposed method has good control performance and can meet theoccasions where the control accuracy is not particularly demandingKey words:pneumatic transmission;proportional directional valve;pneumatic cylinder;pneumatic servo controller;positioning control;trajectory tracking0引言气动伺服系统凭借其清洁无污染、功率质量比大的优势，在工业自动化、食品包装、医疗器械等领域得到了广泛的应用1-3。然而，气体介质的可压缩性、摩擦力的非线性等因素，会导致气动伺服系统的气缸运行不平稳，从而使得高精度气动伺服系统的发展受到了限制4，5。为了提高气动伺服控制的精度，研究人员们在其控制策略上进行了不断的探索。CAI Shi-bo 等人6 采用模糊控制与比例 积分 微分(proportion integration differentiation，PID)控制相结合的方法，对气缸进行了定位控制研究;相比于传统的 PID 算法，模糊 PID 算法具有更大的优势。詹长书等人7 在 MATLAB/Simulink 中搭建了气动位置伺服系统的仿真模型，采用具有良好鲁棒性的模糊自适应PID 控制器，进行了系统位置控制的仿真研究，达到了预期的控制效果。祁佩等人8 采用改进的径向基函数神经网络整定 PID 参数的方法，实现了对气动力伺服 PID 控制参数的在线调整目的。然而，由于 PID 算法自身的鲁棒性较差，导致气动伺服系统的控制精度受到了影响。为了解决因气动系统中存在非线性因素，导致气缸控制精度不高的问题，研究人员们相继提出了一些先进的非线性控制方法。KIM D 等人9 提出了一种应用于气缸定位伺服系统的鲁棒控制方案，进行了气缸闭环位置控制仿真与实验的对比研究。钱鹏飞等人10 提出了一种基于积分滑模控制器，可实现自制气缸高精度轨迹跟踪控制的方法，对自制气缸的控制精度进行了研究与评估。QIAN Peng-fei 等人11 采用刚度最大化的复合滑模控制算法，实现了对电气离合器的高精度控制目的。陶国良等人12 采用自适应鲁棒控制算法，对所开发的新型三自由度气动并联平台的位姿轨迹跟踪控制进行了研究，结果发现，该控制器具有很强的鲁棒性。然而，先进的非线性控制虽能取得对系统不错的控制效果，但往往需要进行复杂的建模13。同时，以上算法通常需要借助计算机、工控机等工具，不仅增加了开发成本，操作过程也较为复杂。因此，众多学者相继开发了具有高集成度、低成本的嵌入式控制系统，并将其应用到气动伺服控制领域中。目前，主流的 3 种嵌入式开发平台有:(1)进阶精简指令集机器(advanced risc machines，AM);(2)数字信号处理器(digital signal processing，DSP);(3)现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)。SANTOS M P S D 等人14 设计了基于 FPGA 的嵌入式模糊逻辑控制器，并将其应用到气动系统中，使系统稳态误差低于 4 m，使系统的性能提升了 16 倍。周超超等人15 开发了基于 DSP 的嵌入式气动位置伺服控制器，使用 MATLAB/Simulink 进行了图形化编程，并将生成的 C 语言代码嵌入到了控制器中，使气缸的轨迹跟踪误差控制在 5%以内，证明了开发的伺服控制器的有效性;但通过该算法自适应估计参数的收敛时间较长，参数估计算法仍存在一定的提升空间。孟凡淦16 设计了一种嵌入式气动伺服控制器，并结合改进的自适应鲁棒控制算法，对气缸进行了位置伺服控制研究，获得了较好的控制精度;但该控制器所提供的指令功能不够丰富，使用该伺服控制器对气缸进行控制的过程较为复杂。基于 STM32 系列芯片，鞠鹏程等人17 为气动机械手开发了一种伺服控制器，并结合模糊 PID 控制策略，进行了气动机械手的定位控制研究，结果发现，模糊 PID 达到稳态时间较常规 PID 缩短了 33 3%，精度也提升了 46 7%;但是该研究仅对机械手进行了定位控制，没有对轨迹跟踪控制性能进行评估。考虑到 STM32 系列芯片的价格低、外设资源丰富、实时性强等优势，笔者基于 STM32F103CT6 型号芯片，研发一套比例阀控缸气动伺服控制器，并利用该伺服控制器进行位置控制的相关实验研究。1控制器硬件设计此处，笔者研究的阀控缸气动位置伺服系统主要由比例方向阀、气缸和位移传感器组成。为了能够进行气缸的位置控制、位移传感器的数据采集以及控制算法的实施，在开发伺服控制器过程中，笔者从处理速度、存储容量、模拟/数字转换、串口通信、人机接口 5 个方面分别进行总体设计。传统控制算法对控制器的处理速度要求不高，但对于更加复杂的算法，要求控制器的核心处理器具有较快的信号处理速度。气动伺服控制器在工作过程中会进行高频率数据采样，需要有较大的存储容量(该控制器采用 512 KB 的静态随机存取存储器，并扩展512 KB 的快闪存储器)。由于此处所使用的