基于PC104嵌入式系统架构的测力机伺服控制器的研究与试验

　　本文介绍一种嵌入式测力机伺服控制器。该控制器采用PC104嵌入式系统架构, 控制算法为比例积分(PI) 算法。测力活塞位移、系统压力、砝码状态信号输入到控制器后,控制器得到了更多的系统信息。在应用软件中操作者可以方便地调整控制参数, 实现智能化的伺服控制,改善控制系统的性能。

　　一、PC104嵌入式系统简介

　　嵌入式系统是一种专用计算机系统。嵌入式系统的构建以具体的应用为中心, 其针对性较强, 具有体积小、功能强、成本低等特点, 越来越多地被应用于各类控制系统。它与计算机系统最本质的区别在于将微型操作系统与应用软件嵌入到ROM、RAM或FLASH存储器中, 而不是存储于磁盘等载体中。

　　PC104是一种专门为嵌入式系统而定义的工业控制总线, 实质上就是一种紧凑型的IEEE- P96, 其信号定义和PC/AT基本一致, 但电气和机械规范却完全不同, 主要具有以下特点:

　　1.小尺寸结构。标准模块的机械尺寸是(96×90)mm。

　　2.堆栈式连接。去掉总线背板和插板滑道, 总线以“针”和“孔”形式层叠连接, 这种层叠封装有极好的抗震性。

　　3.总线驱动。减少了元件数量和电源消耗, 4mA总线驱动即可使模块正常工作, 每个模块能耗为(1~2)W。

　　目前, PC104嵌入式系统已被较多地应用到试验机自动控制系统中, 但在国内还没有在液压式测力机伺服控制系统中采用。从嵌入式系统的特点和在试验机上的应用情况看, 将其应用到液压式测力机上,不仅可以满足测力机力的加卸控制的各项要求, 还将提高控制系统的自动化程度, 改善控制性能。

　　二、伺服控制器的硬件设计

　　基于PC104嵌入式系统架构的伺服控制器硬件结构框图如图1所示。主机板通过PC104总线对模数转换卡、数模转换卡和开关量输入卡进行操作, 使得模拟量输入信号、开关量输入信号和手调电位器信号能够正确地被应用程序接收; 同时,应用程序产生的数字信号能够正确地转换成相应的模拟量( 电流) 信号输出, 驱动伺服阀, 伺服放大器前面板上的模拟指针式表头能够正确指示出测力活塞位移、伺服阀电流。

　　伺服控制器中的接口卡均采用PC104系列采集卡。该系列采集卡采用精密运算放大器及高速光电耦合器, 具有准确度高、速度快、量程多、功耗低的特点, 完全能够满足液压式测力机伺服控制系统的要求。其中主要的几块接口卡为:16位32路光电隔离模数转换卡, 模拟电压的测量准确度为0.01%, 输入量程为±5V; 16位4路光电隔离数模转换卡, 模拟电流的控制准确度为0.01%, 输出量程为±20mA; 32路光电隔离开关量输入卡, 共地方式输入。