基于MIL-STD-1553B总线协议的伺服控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于控制系统领域，具体涉及一种基于MIL-STD-1553B总线协议的伺服控制系统及控制方法。

背景技术

伴随着科技的进步，控制领域发展迅速。液压技术由20世纪兴起，发展到如今已经越来越成熟。液压传动方式由于其具备功率密度高、结构灵活、组装方便、耐用可靠等有优点，广泛应用于大中型功率机械设备中进行灵活控制与调节。随着科学技术的进一步发展，液压传动已不仅仅充当为一种传动方式，其更多的充当的是一种控制手段，是现代控制工程中不可缺少的技术手段和环节。

其中，液压伺服控制已经在自动化控制领域占据了极其重要的作用。凡是需要快速、反应精确、大功率的控制系统，大都采用了液压伺服控制。研究液压伺服控制系统对国防、工业、经济发展有着重要的意义。

现有的电液伺服控制系统可以实现对伺服运作器等机构的运动控制，但是由于伺服系统在工作时收到的干扰较多，导致现有的伺服控制系统实时性较弱，系统可靠性差。

现有的伺服系统主要分为机械型，但有着整体体积较大，改变参数较为困难的缺点；电动型，其控制灵活，但其输出力较小，不便于扩展。本系统采用的电液伺服系统具有力矩大，便于调节等优点。再结合PID控制算法，使之比传统控制方法、非线性等控制方法具有更稳定，动作响应更快的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MIL-STD-1553B总线协议的伺服控制系统。此系统基于1553B总线协议实现对电液伺服机构运动的控制，其具有可靠性高、抗干扰能力强、集中控制、实时响应的特点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于MIL-STD-1553B总线协议的伺服控制系统，包括PC端上位机，通讯控制器，配电器，电液伺服运转机构以及电缆网；

所述通讯控制器基于FPGA主芯片，所述通讯控制器与PC端上位机通过RS422异步串行通讯完成数据通信，通讯控制器与电液伺服运转机构通过MIL-STD-1553B总线完成数据通信；所述电液伺服运转机构包括位移反馈传感器，实现闭环控制。

进一步的，所述PC端上位机基于C++语言编写，可完成对当前电液伺服运转机构运转状态的评测，以及下一步控制指令的发送。

进一步的，所述通讯控制器还包括Flash存储模块和1553B通讯BC端；

通讯控制器中的FPGA主芯片负责解算PC端上位机发送过来的指令，再基于MIL-STD-1553B总线协议，将指令发送给电液伺服运转机构；另外用于接收来自电液伺服运转机构的运动反馈信号，并转发给PC端上位机，方便PC端上位机进行机构运转状态评测以及下一步运动指令的发送；用于将来自电液伺服运转机构的运动反馈信号存储至Flash存储模块中；用于控制配电器对系统各个用电器的上电断电；

所述Flash存储模块用于实时的将电液伺服运转机构的信息进行存储；

所述1553B通讯BC端是MIL-STD-1553B总线中的控制端，用于以1553B总线协议的方式来完成与电液伺服运转机构的数据交互。

进一步的，所述的电液伺服运转机构还包括1553B通讯RT端和伺服运作器；

所述1553B通讯RT端是MIL-STD-1553B总线的接收端，用于负责接收通讯控制器发送的指令，通过D/A转换，将指令数据转换成伺服机构阀电流控制信号传递给伺服运作器，用于负责接收伺服运作器的运动反馈信号，通过A/D转换后将数据发送给通讯控制器；

所述的伺服运作器在接收到1553B通讯RT端转换后的伺服机构阀电流控制信号，根据电流的大小来执行相应的运动；

所述的位移反馈传感器负责在伺服运作器运动时，实时的记录伺服运作器的运动数据，并且反馈给1553B通讯BC端；1553B通讯BC端再将数据反馈给PC端上位机，使得基于MIL-STD-1553B总线通讯的伺服控制系统形成一个闭环控制系统。

进一步的，所述的配电器用于为通讯控制器提供5V电源，为1553B通讯RT端提供28V电源，为伺服运作器提供56V电源；

所述配电器在系统上电工作时，先对通讯控制器供电，在通讯控制器完成自检后，再根据相应的指令通过控制继电器的开关完成对通讯接收模块以及伺服运作器的供电。

进一步的，所述电缆网用于实现控制系统各设备间供电以及信号的传输；为设备和“地”之间建立低阻抗传导通路。

一种采用上述的系统进行伺服控制的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：实际系统开始工作时，通讯控制器先上电自检，自检确认无问题后，通讯控制器开始等待PC端上位机指令；

步骤(2)：PC端上位机指令到来时，先对指令进行判断，如若不是配电指令，则继续等待；若是配电指令，则通讯控制器将对配电器发送相关指令，控制配电器内部继电器的开关与闭合，从而执行电液伺服运转机构的上电或断电操作；

步骤(3)：执行完配电指令后，通讯控制器继续等待PC端上位机指令，指令到来时，对指令进行相关判断，如不是1553B指令，则继续等待；如是1553B指令，则通讯控制器会依据PC端上位机发送的相关信息生成1553B协议姿态控制指令，再通过通讯控制器内部的1553B总线BC端将1553B协议姿态控制指令传输至1553B总线RT端，1553B总线RT端依据此指令转换成伺服机构电流阀控制信号传输给伺服运作器，伺服运作器会根据伺服机构电流阀控制信号执行不同的动作。

步骤(4)：位移反馈传感器在伺服运作器运动时，会及时的将位移反馈信息反馈给1553B总线RT端，1553B总线RT端再将数据回传到1553B总线BC端；

步骤(5)：1553B总线BC端收到位移反馈信息后，将位移反馈信息保存至Flash存储模块的同时，将位移反馈信息发送给PC端上位机，PC端上位机进行信息对比，姿态解算，从而发出下一步的操作指令，再发送给通讯控制器执行下一步的运动控制，形成闭环控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1.系统整体体积较小，且对于电液伺服作器的控制响应更灵敏、效率更高；

2.系统通过采集处理运动反馈信息，可以优化对电液伺服运作机构的效果，以及增强电液伺服运作机构工作时的抗干扰能力；

3.系统的可扩展性更强，可以同时控制多套伺服运转机构；

4.经过实验应用得到功能验证，系统各项指标满足设计要求，控制伺服运作器运转时可靠性高、稳定性强。

附图说明

图1为本发明的伺服控制系统原理示意图。

图2为本发明的控制方法流程框图。

附图标记说明：

1-PC端上位机，2-通讯控制器，3-电液伺服运转机构，4-电缆网，5-配电器，6-FPGA主芯片，7-1553B通讯BC端，8-Flash存储模块，9-1553B通讯RT端，10-伺服运作器，11-位移反馈传感器。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种基于MIL-STD-1553B总线协议的伺服控制系统包括PC端上位机1、通讯控制器2、电液私服运转机构3、电缆网4以及配电器5组成。所述的电液伺服运转机构3根据通讯控制器2发出的指令来进行运转。所述的电缆网4将控制系统各用电器相连接。主要指所述的通讯控制器2主要包括FPGA主控芯片6、1553B通讯BC端7、Flash存储模块8。所述的电液伺服运转机构的3主要包括1553B通讯RT端9、伺服运作器10、位移传感器11。

一种基于MIL-STD-1553B总线协议的伺服控制系统可实现对电液伺服运动机构的实时控制。在系统工作前，用电缆网4将系统各装置安装连接好，检查无误后。系统工作时，通讯控制器2先通电，由配电器5提供5V电源。

所述的通讯控制器2包括FPGA主芯片6、Flash存储模块8、1553B通讯BC端7。通讯控制器内部的FPGA主芯片6上电自检，自检完成无故障后，FPGA主芯片6向配电器5基于串口发送配电指令。

所述的配电器5主要负责对系统的内部不同的电气设备提供电源。配电器5需要完成的功能有：其一为通讯控制器2提供5V电源；其二为L1553B通讯RT端9提供28V电源；其三为伺服运作器10提供56V电源。

配电器5收到配电指令后，控制内部的继电器闭合，从而给1553B通讯RT端9提供28V电源，以及为伺服运作器10提供56V电源。

所述的PC端上位机1基于C++语言编写，其可完成对当前电液伺服运转机构(3)的运转状态的评测，以及下一步控制指令的解算、发送。

在系统用电器都完成上电后，系统会等待PC端上位机1的指令。PC端上位机1通过RS422异步串行通讯完成与通讯控制器2之间的数据通信。

通讯控制器2内部的FPGA主芯片6收到上位机发送的控制指令后，FPGA主芯片6控制1553B通讯BC端7将指令以基于1553B总线通讯协议发送给电液伺服运转机构3。

所述的电液伺服运转机构3包括1553B通讯RT端9、伺服运作器10、位移反馈传感器11。电液伺服运转机构3内部的1553B通讯RT端9接收到1553B通讯BC端7发送过来的指令后，通过D/A转换将指令数据转换成伺服机构电流阀控制信号传递给伺服运作器10。伺服运作器10接收到1553B通讯RT端9的伺服机构电流阀控制信号，根据电流的大小来执行相应的运动。

所述的位移反馈传感器11会在伺服运作器10运动时实时记录其运动位移、姿态等信息，并将信号反馈给1553B通讯RT端9。1553B通讯RT端9接收到位移传感器的数据后，通过A/D转换将数据以基于1553B总线通讯协议发送给1553B通讯BC端7。

所述的1553B通讯BC端9将位移反馈信息发送给FPGA主芯片6，FPGA主芯片6将数据发送给PC端上位机1的同时，将位移反馈信息存储至Flash存储模块8中。

所述的Flash存储模块8的主要功能是及时的将电液伺服运转机构3的运动位移、姿态等信息存储，便于数据的保护，以及系统工作异常时的复位控制。Flash存储模块8在工作时是边采集便存储的。

PC端上位机1在得到FPGA主芯片6发送过来的运动反馈信息后，对信息进行分析、解算得到当前伺服运作器10的运动姿态，运作状态等信息。根据此信息，在进行计算，发出下一步的运动指令给通讯控制器2。

如图2所示，实际系统开始工作时，通讯控制器2先上电自检，自检确认无问题后，通讯控制器2开始等待PC端上位机1指令。指令到来时，先对指令进行判断，如若不是配电指令，则继续等待；若是配电指令，则通讯控制器2将将对配电器发送相关指令，控制配电器内部继电器的开关与闭合，从而执行电液伺服运转机构3的上电或断电操作。执行完配电指令后，通讯控制器2继续等待PC端上位机1指令，指令到来时，对指令进行相关判断，如不是1553B指令，则继续等待；如是1553B指令，则通讯控制器2会依据PC端上位机1发送的相关信息生成1553B协议姿态控制指令，再通过通讯控制器2内部的1553B总线BC端7将1553B协议姿态控制指令传输至1553B总线RT端9，1553B总线RT端9依据此指令转换成伺服机构电流阀控制信号传输给伺服运作器10。伺服运作器10会根据伺服机构电流阀控制信号执行不同的动作。

位移传感器11在伺服运作器10运动时，会及时的将位移反馈信息反馈给1553B总线RT端9，1553B总线RT端9再将数据回传到1553B总线BC端7。1553B总线BC端7收到位移反馈信息后，将位移反馈信息保存至Flash存储模块8的同时，将位移反馈信息发送给PC端上位机1，PC端上位机1进行信息对比，姿态解算，从而发出下一步的操作指令，再发送给通讯控制器2执行下一步的运动控制。至此，基于MIL-STD-1553B总线协议的伺服控制系统形成了闭环控制系统。

综上所述，在PC端上位机1、通讯控制器2、电液伺服运转机构3、电缆网4、配电器5的配合工作下。系统基于MIL-STD-1553B总线通信协议进行数据收发，实时性强，且具有良好的可扩展性。同时系统可实现闭环PID控制，抗干扰能力强，控制精度高。