EUROelectronics公司是一間機(jī)臺(tái)製造商，在客戶的委託下，設(shè)計(jì)了一款適用於壓鑄機(jī)臺(tái)的閉迴圈液壓汽缸控制系統(tǒng)。由於高速壓力會(huì)以0至10 m/s的速度移動(dòng)，因此需要以高速控制系統(tǒng)來(lái)掌控。
為了解決此一需求，我們使用了NI LabVIEW FPGA Module與CompactRIO硬體。透過(guò)整合於CompactRIO控制器上的FPGA，開(kāi)發(fā)出可使用現(xiàn)成商用工具進(jìn)行低階客制化的系統(tǒng)。為了滿足此項(xiàng)應(yīng)用的獨(dú)特需求，我們?cè)贔PGA中實(shí)作了高度最佳化的編碼器介面來(lái)量測(cè)汽缸位置，並於LabVIEW中進(jìn)行完整的系統(tǒng)程式設(shè)計(jì)。
高速與高壓力特性挑戰(zhàn)控制的精確度
在正常情況下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)操作者輸入的速度與加速度軌道值來(lái)控制汽缸位置。操作者可透過(guò)比例、積分，與微分（PID）演算法控制汽缸的運(yùn)動(dòng)。壓力感測(cè)器則會(huì)用完全配合CompactRIO的處理速度，以數(shù)個(gè)毫秒的順序回傳資料。
運(yùn)動(dòng)設(shè)定檔與其他參數(shù)會(huì)透過(guò)乙太網(wǎng)路，與執(zhí)行完整機(jī)臺(tái)監(jiān)控軟體應(yīng)用程式的電腦共用。我們以NI LabWindows / CVI軟體實(shí)作了此操作者介面。該項(xiàng)應(yīng)用也可透過(guò)量測(cè)運(yùn)動(dòng)品質(zhì)與重複性、執(zhí)行處理變數(shù)的工業(yè)級(jí)資料擷取量測(cè) （位置、速度、壓力、溫度），以及製作品質(zhì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等方式，提供診斷與機(jī)臺(tái)監(jiān)控功能。
液壓汽缸的位置與壓力控制為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的常見(jiàn)應(yīng)用，不過(guò)，由於這些系統(tǒng)具備高速與高壓力等特性，因此控制的精確度往往會(huì)是一大挑戰(zhàn)。
| 圖1 : 壓力量測(cè)與位置所需的感測(cè)器品質(zhì)是選擇擷取系統(tǒng)的首要考量。 |
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在我們的應(yīng)用中，汽缸會(huì)透過(guò)特定的速度與加速度設(shè)定檔來(lái)依照軟體定義的軌道移動(dòng)，而設(shè)定檔必須確保汽缸能準(zhǔn)確且重複達(dá)到10 m/s的最高速度。若要穩(wěn)定控制汽缸的煞車(chē)與加速，就必須以1 kHz的處理速率關(guān)閉迴圈。
壓力量測(cè)與位置所需的感測(cè)器品質(zhì)是選擇擷取系統(tǒng)的首要考量。在此案例中，我們使用線性磁條感測(cè)器進(jìn)行位置量測(cè)。感測(cè)器必須精確且可靠地完成量測(cè)，而感測(cè)器訊號(hào)的訊號(hào)處理介面則也需要具備迅速與堅(jiān)固耐用等特性。
CompactRIO提供的類(lèi)比輸入模組具有高準(zhǔn)確度，我們只需使用2個(gè)高速數(shù)位輸入通道，就能完整實(shí)作汽缸位置控制的編碼器函式。有了FPGA，編碼位置的訊號(hào)就能直接以感測(cè)器處理。不需使用中段處理或放大裝置，也可明顯降低雜訊並提升處理速度。
軟硬體整合推進(jìn)開(kāi)發(fā)時(shí)程
汽缸運(yùn)動(dòng)必須精確地依循監(jiān)控軟體所預(yù)先定義的位置、速度與加速度設(shè)定檔運(yùn)作。我們需要在速度高於1毫秒的處理週期中，量測(cè)閥門(mén)位置並計(jì)算速度；且兩者都會(huì)與設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，移動(dòng)情形也會(huì)使用PID演算法進(jìn)行修正。
| 圖2 : 汽缸運(yùn)動(dòng)必須精確地依循監(jiān)控軟體所預(yù)先定義的位置、速度與加速度設(shè)定檔運(yùn)作。 |
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為了保持液壓電路的平衡，必須同步控制汽缸前端與後端的壓力值，以避免發(fā)生瞬間峰值。包含機(jī)器的完整介面將由CompactRIO即時(shí)程式持續(xù)且完美地控制，以此取代傳統(tǒng)的可程式化邏輯控制器。
唯有在處理時(shí)間絕對(duì)精確的情況下，此應(yīng)用才能透過(guò)液壓伺服閥有效關(guān)閉迴圈。同樣地，液壓電路必須迅速、精確並重複產(chǎn)生回應(yīng)。在這樣的情況下，液壓伺服閥會(huì)透過(guò)類(lèi)比輸出訊號(hào)控制。
只要計(jì)算閥（具有獨(dú)特的非線性化行為）的線性化「表格」對(duì)應(yīng)值，即可精確微調(diào)PID演算法。透過(guò)此PID增益規(guī)劃方式，我們可同時(shí)以低度（汽缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)期間為 0.05至0.30 m/s）與高速（實(shí)際最高速度為7.5 m/s）取得極為精確的對(duì)應(yīng)。
若使用指令訊號(hào)的前饋與數(shù)據(jù)平滑處理技術(shù)，我們也能校準(zhǔn)PID運(yùn)算方式，以避免快速換相點(diǎn)無(wú)法穩(wěn)定移動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)（汽缸的位置必須盡快上升或降低）。
有了CompactRIO乙太網(wǎng)路埠，嵌入式LabVIEW系統(tǒng)即可與使用LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)的監(jiān)控應(yīng)用通訊。操作者可透過(guò)監(jiān)控軟體，以2種方法定義汽缸的注入設(shè)定檔：1.輸入數(shù)值，或 2.以圖形化的程序互動(dòng)拖曳設(shè)定檔。 操作者也能設(shè)定所需的多個(gè)參數(shù)以執(zhí)行機(jī)臺(tái)週期，包含位置、速度、壓力與時(shí)間。
使用NI PCI-6025E 資料擷取卡，我們也可以將多個(gè)診斷訊號(hào)新增至監(jiān)控軟體，例如每次注入的位置、壓力與溫度資料。機(jī)臺(tái)監(jiān)控軟體可提供機(jī)臺(tái)作業(yè)圖表，並計(jì)算不同的控制數(shù)值，例如速度換相的位置、平均與峰值速度、次數(shù)、壓力與溫度。
以LabVIEW FPGA進(jìn)行CompactRIO的程式設(shè)計(jì)，即可透過(guò)極高速的處理速度，更輕鬆地運(yùn)作運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最重要的部分。我們不需仰賴(lài)LabVIEW以外的低階開(kāi)發(fā)工具、客制化電路，或程式設(shè)計(jì)語(yǔ)言，就能進(jìn)行命令與反饋控制。CompactRIO的效能，讓我們得以將系統(tǒng)封裝至完整且堅(jiān)固耐用的小型裝置內(nèi)。 透過(guò)系統(tǒng)去運(yùn)作進(jìn)階控制功能，我們才能大幅提升程序效益。
此應(yīng)用使用NI軟體與硬體整合了性質(zhì)相似的開(kāi)發(fā)方式，因此更大幅縮減了所需的專(zhuān)案與開(kāi)發(fā)時(shí)間。透過(guò)此專(zhuān)案，可以在短短3週之內(nèi)完成從原型製作階段到最終機(jī)臺(tái)設(shè)定的各項(xiàng)作業(yè)。
（本文由NI提供，作者Paolo Catterina任職於EUROelectronics, srl）
