??? 摘? 要： 針對開發(fā)飛行器曲面加工智能工裝系統(tǒng)的需求，提出一種多點(diǎn)陣列分布式無線液壓控制方法，并開發(fā)了基于MC68HC908微控制器" title="微控制器">微控制器的多點(diǎn)陣列分布式無線控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過數(shù)十個(gè)微控制器并行運(yùn)行，以軟件方法實(shí)現(xiàn)了整個(gè)液壓系統(tǒng)的分布式無線控制。文中對該系統(tǒng)的總體方案、硬件電路和軟件算法進(jìn)行了介紹。?
??? 關(guān)鍵詞： 智能工裝系統(tǒng)；分布式無線液壓控制；MC68HC908；nRF2401A；壓力閉環(huán)控制?
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??? 用于復(fù)雜曲面加工的陣列式智能柔性工裝系統(tǒng)由數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)可在X、Y、Z空間運(yùn)動(dòng)的工作單元組成，每個(gè)單元具有自治能力，其關(guān)鍵部位需采用液壓控制。對于這種復(fù)雜的機(jī)-電-液系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)的集中式控制方案，不僅油路、電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大，而且嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。同時(shí)對于這種復(fù)雜系統(tǒng)中的數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)陣列工作單元的通訊網(wǎng)絡(luò)，若采用有線連接，將導(dǎo)致線路復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)與管理。為解決此問題，本文提出了一種多點(diǎn)陣列分布式無線液壓控制方法，并基于MC68HC908 Microcontroller（微控制器）開發(fā)了多點(diǎn)陣列分布式無線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中各個(gè)子單元以微控制器為核心構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的自治控制系統(tǒng)，分別控制單元內(nèi)液壓裝置的運(yùn)行；與上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)進(jìn)行無線通信，便可獲得所有控制指令，并向上級反饋現(xiàn)場狀態(tài)信息；局部故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓；易于擴(kuò)展，使用靈活。?
1 系統(tǒng)總體方案與工作原理?
??? 本系統(tǒng)主要由上位機(jī)PC、AT89S52、nRF2401A無線收發(fā)芯片、監(jiān)控電路（診斷系統(tǒng)）、驅(qū)動(dòng)控制電路、MC68HC908微控制器及其液壓執(zhí)行單元和反饋電路、精密步進(jìn)電機(jī)" title="步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。其中，上位機(jī)由VC++工具實(shí)現(xiàn)用戶界面的軟件設(shè)計(jì)，通過RS232硬件接口將用戶輸入的控制命令串行輸出到主控制器AT89S52，經(jīng)無線收發(fā)芯片nRF2401A與柔性工裝系統(tǒng)內(nèi)各主控制器AT89S52進(jìn)行通信，再由主控制器與各自治子單元的MC68HC908微控制器進(jìn)行通信，傳遞上位機(jī)的控制命令，同時(shí)反饋各自治子單元的工作狀態(tài)。?
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圖1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
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??? 各自治子單元在接收到上位機(jī)的命令時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)控制電路控制精密步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)；反饋系統(tǒng)則把采集到的油壓電信號反饋到微控制器的A/D" title="A/D">A/D中,從而形成一個(gè)獨(dú)立閉環(huán)的自治控制系統(tǒng)。?
??? 液壓元件具有功率-重量比和力矩-慣量比大、傳遞的力矩和功率很大的特點(diǎn)，因此可以組成體積小、重量輕、加速能力強(qiáng)和快速動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以控制大功率和大負(fù)荷。同時(shí)液壓執(zhí)行元件響應(yīng)速度快，在驅(qū)動(dòng)控制中采用校正裝置可以使回路增益提高、頻帶加寬。另外液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)還具有傳動(dòng)平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)速范圍廣，特別低速運(yùn)行狀態(tài)下的控制工作性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。?
??? 近年來隨著大規(guī)模集成電路和微電子集成技術(shù)的飛速發(fā)展，使得微控制器在可靠性、性價(jià)比以及功能等方面都有很大的提高，這就為設(shè)計(jì)功能強(qiáng)、價(jià)格低、性能優(yōu)越的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)提供了得天獨(dú)厚的條件。同時(shí)隨著步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的完善發(fā)展，出現(xiàn)了體積越來越小、性能優(yōu)越的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。由于步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停、精確步進(jìn)以及接收數(shù)字量的特點(diǎn)，所以在工業(yè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本文充分利用了液壓系統(tǒng)的力放大、隨動(dòng)、穩(wěn)定等特點(diǎn)來控制智能工裝系統(tǒng)的有關(guān)動(dòng)作，采用微控制器控制步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩來驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行單元。?
2 系統(tǒng)硬件電路?
2.1 無線收發(fā)模塊?
??? nRF2401A芯片是挪威Nordic公司推出的2.4GHz單片無線收發(fā)芯片，具有125個(gè)頻道可滿足多頻及跳頻需要；能夠在全球無線市場暢通無阻。該芯片支持多點(diǎn)間通信，其最高傳輸速率超過1Mb/s，具有傳輸速率高、接收靈敏度高、發(fā)射功率低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。它采用SoC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。圖2所示為nRF2401A的外部接口電路。?
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??? nRF2401A芯片最突出的特點(diǎn)是有兩種通信模式：Direct Mode(直接模式)和ShockBurstTM Mode(突發(fā)模式)。由于ShockBurstTM Mode具有低數(shù)據(jù)率的時(shí)鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸以及功耗低的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇工作在該突發(fā)模式下。由于nRF2401A采用了DuoCeiver技術(shù)，因此可以由雙信道同時(shí)通過一個(gè)天線接口從相隔8MHz的兩個(gè)nRF2401A上接收數(shù)據(jù)。具體的兩個(gè)信道如下[2]：?
??? 數(shù)字信道1：CLK1，DATA，DR1；?
??? 數(shù)字信道2：CLK2，DATA，DOUT2；?
??? 其中數(shù)字信道2的頻率比數(shù)字信道1的頻率高出8MHz。?
2.2 微控制器主控模塊?
??? 微控制器主控模塊如圖3所示，圖中微控制器通過芯片ULN2004A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；壓力傳感器把采集到的壓力電信號sensor反饋到微控制器的A/D口中；微控制器MC68HC908通過feedback信號以光電隔離方式經(jīng)主控制芯片AT89S52和無線模塊實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場的狀態(tài)信息到上位機(jī)PC，同時(shí)上位機(jī)PC通過主控制芯片AT89S52和無線模塊向控制系統(tǒng)下達(dá)控制指令；MC68HC908通過CLK、LED、DATA、LEDSHOW、switch、stop、A、B與監(jiān)控電路進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。?
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??? 由于本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了微控制器控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給以驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，通過壓力傳感器采集壓力信號反饋到控制系統(tǒng)中，因此要求控制系統(tǒng)具有A/D采集功能；在監(jiān)控電路上要求微控制器具有較大輸出電流以及灌電流；同時(shí)本系統(tǒng)由于應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，使用環(huán)境比較惡劣，要求具有較好的穩(wěn)定性以及抗干擾能力。基于這些考慮，本文采用高性價(jià)比的Freescale八位微控制器MC68HC908QY4。該微控制器有13個(gè)雙向I/O口，一個(gè)單向輸入口，其中四路具有8位A/D轉(zhuǎn)換功能；可使用5V或3V的供電電壓；具有4 096B的片內(nèi)Flash存儲器，128B的片內(nèi)RAM；雙通道16bit定時(shí)器模塊；自帶看門狗電路，具有較高的性價(jià)比[3]。?
??? 對柔性智能工裝系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)而言，所需的壓力應(yīng)大于1kg/cm2，以保證有足夠的夾持力。本文選用了型號為17HD032-30N的步進(jìn)電機(jī)，靜力矩為130mN.m，額定電壓為12.3V，額定電流為0.28A。步進(jìn)電機(jī)最常采用的兩種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)是單極性和雙極性。單極性驅(qū)動(dòng)電路使用四顆晶體管驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩組相位，這類電機(jī)稱為四相電機(jī)，又稱雙相位六線式步進(jìn)電機(jī)；雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，使用八顆晶體管來驅(qū)動(dòng)兩組相位[4]。本文選用的17HD032-30N為雙相位六線式步進(jìn)電機(jī)。?
??? 由于所選的步進(jìn)電機(jī)的額定電壓為12V，額定電流為0.28A，因此本系統(tǒng)采用了最大驅(qū)動(dòng)電流為1A的ULN2004A芯片。該芯片可以提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，輸入電壓范圍為6V～15V。ULN2004A具有7個(gè)開集極式輸出反相器，而在每個(gè)輸出端都有一個(gè)連接到共同端（COM）的二極管，作為放電保護(hù)電路。?
??? 由于在工業(yè)現(xiàn)場中存在很大的干擾，這些干擾如不隔離就會(huì)竄入微機(jī)內(nèi)部造成破壞。因此在電路的控制以及上位機(jī)的反饋信號上使用光藕進(jìn)行光電隔離，這樣可以消除地線干擾，同時(shí)還可去掉現(xiàn)場竄入的高頻干擾信號，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。?
3 軟件程序的設(shè)計(jì)?
3.1 整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程?
??? 整個(gè)系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)功能采用一個(gè)模塊表達(dá)。本系統(tǒng)主要由無線收發(fā)模塊、監(jiān)控模塊、A/D采集模塊、濾波模塊、加載模塊、卸載模塊、壓力上限處理模塊、壓力下限處理模塊等組成。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。
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3.2 步進(jìn)電機(jī)的軟件控制?
??? 在步進(jìn)電機(jī)微控制器軟件控制系統(tǒng)中，主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)基本控制任務(wù)[5]：?
??? (1)控制換相順序：步進(jìn)電機(jī)的通電換相順序要嚴(yán)格按照步進(jìn)電機(jī)的工作方式進(jìn)行，也稱為脈沖分配。實(shí)現(xiàn)脈沖分配有軟件法和硬件法，本系統(tǒng)采用軟件法。?
??? (2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向：通過改變通電相序?qū)崿F(xiàn)。?
??? (3)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速：通過調(diào)節(jié)脈沖頻率實(shí)現(xiàn)。?
??? 在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，如果脈沖信號變化太快，則步進(jìn)電機(jī)由于慣性將不能跟上電信號的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步。所以步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有升速過程，在停止時(shí)必須有減速過程。理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過程的頻率變化規(guī)律類似于整個(gè)升速過程頻率變化的規(guī)律。在實(shí)際編程過程中，按照指數(shù)曲線進(jìn)行編程較為繁瑣，而用直線代替指數(shù)曲線進(jìn)行編程較為容易，也能達(dá)到很好的啟動(dòng)與停止效果。同時(shí)，由于本系統(tǒng)為保證液壓泵有足夠的壓力輸出，對于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不能過高，屬于低速運(yùn)行的范疇，平緩的啟動(dòng)與停止會(huì)使系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。圖5為勻加減速曲線圖，圖中的點(diǎn)劃線部分為指數(shù)升降速曲線，實(shí)線為直線升降速曲線。升速過程由突跳頻率加升速曲線組成(降速過程反之)。突跳頻率是指步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率，此頻率不可太大，否則也會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步[5]。?
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3.3 A/D采集的控制算法?
??? 常用的A/D采集數(shù)字濾波算法有程序判斷法、中值濾波法、算術(shù)平均值濾波法、加權(quán)濾波法、滑動(dòng)濾波法、低通濾波法和復(fù)合濾波法等[6]。本系統(tǒng)采用中值濾波法，即對油壓進(jìn)行連續(xù)采樣N次，N一般為奇數(shù)，然后把N次采樣值按從小到大排隊(duì)，再取中間值作為本次采樣值。該方法對于去掉由偶然因素引起的波動(dòng)和采樣器不穩(wěn)定而引起的脈動(dòng)干擾具有很好的效果。對于測量變化比較緩慢的情況，采用中值濾波法效果比較好，但對于快速變化的數(shù)據(jù)，不宜采用中值濾波[6]。對于本系統(tǒng)而言，與微控制器的運(yùn)行速度相比較油壓的變化非常緩慢，因此采用中值濾波法具有很好的效果。實(shí)踐證明本系統(tǒng)與不采用中值濾波方法以及與其他濾波方法相比較，在穩(wěn)定性、抗干擾性以及魯棒性上有很大的提高與優(yōu)勢。?
??? 本文詳細(xì)介紹了多點(diǎn)陣列分布式無線液壓控制系統(tǒng)的總體方案、硬件控制電路及軟件實(shí)現(xiàn)流程。同時(shí)也詳細(xì)介紹了步進(jìn)電機(jī)的軟件控制與A/D采集的模塊化算法，該算法在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。監(jiān)控電路模塊能夠輔助工作人員較好地監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，如有故障能及時(shí)方便地進(jìn)行排除與維修。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)采用的多點(diǎn)陣列分布式無線控制系統(tǒng)控制靈活、使用方便、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，能很好滿足項(xiàng)目總體控制的需要，具有一定的實(shí)用價(jià)值以及參考意義。?
參考文獻(xiàn)?
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