專利名稱：用于控制流體致動器的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種液壓致動器控制裝置，用于實現(xiàn)用于根據(jù)來自一個機載用戶可編程微處理器的命令信號來調(diào)節(jié)一個或多于一個液壓致動器的性能的分布控制體系結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
用于控制液壓致動器的裝置在DE 195 20 935 C2中公開。此參考文獻中公開的是一種位移傳感器，用于用供到位置控制器的電氣信號指示閥活塞的位置。用于控制閥活塞位置的控制器被布置在其自己的外殼中，該外殼安裝在閥的外殼上。控制器確保閥活塞跟隨作為電氣輸入變量而被供到控制器的位置設(shè)置點。在這種情況下，閥活塞的位置決定閥的通道截面的量值，以便控制來自以及到致動器一例如液壓汽缸一的流體流動。授予Kockemann的美國專利No. 6, 901, 315公開了一種控制器裝置,其用于控 制液壓致動器，液壓致動器包含電氣操作的液壓控制閥，該閥響應(yīng)于由三個分立的控制器產(chǎn)生的信號控制壓力介質(zhì)在致動器中的流動。第一控制器調(diào)節(jié)控制閥中的活塞的位置。第二控制器命令致動器(例如液壓汽缸)的移動。第三控制器電氣控制致動器的一系列移動。三個控制器布置在共用的外殼中，外殼安裝在控制閥上。第一與第二控制器由控制裝置的制造者預(yù)先編程。在此裝置中，僅第三控制器可由用戶自由編程。這種現(xiàn)有技術(shù)的裝置不允許用戶用控制液壓致動器的狀態(tài)反饋控制算法對第二控制器進行編程。另外，在此現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，在所公開和要求權(quán)利的裝置中不存在使用用戶編程的狀態(tài)反饋控制算法來控制從(slave)致動器的能力。另外，在此現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，不存在從例如從多種外部傳感器或裝置——例如從閥——接收并處理輸入的能力。另外，在此現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，所有的控制器被包含在分立的微處理器或電路中，而不是集成在一個微控制器中。現(xiàn)有技術(shù)的控制體系結(jié)構(gòu)——下面稱為“集中控制結(jié)構(gòu)”——包含一個PLC，其負責(zé)協(xié)調(diào)所有液壓軸線(hydraulic axes)的移動。這使得必須將所有傳感器信號傳送到一個機器PLC。這還使得這一個PLC必須同時運行用于所有液壓軸線的幾個狀態(tài)反饋、閉環(huán)控制算法。于是，單個機器PLC向各個液壓控制閥發(fā)送命令或操縱(manipulation)。這種現(xiàn)有技術(shù)的集中控制體系結(jié)構(gòu)的缺點在于，其導(dǎo)致遍及機器地對電纜進行布線的顯著成本，以及PLC面板中的顯著的布線復(fù)雜性。另外，需要成本高昂的高端PLC，以便同時協(xié)調(diào)所有的液壓軸線，并以足夠的控制速率運行幾個狀態(tài)反饋控制算法，從而實現(xiàn)各個液壓軸線的所需要的動態(tài)性能。另外，在現(xiàn)有技術(shù)中，作為對“集中控制體系結(jié)構(gòu)”的改進，在某些現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)施中，所有傳感器、控制閥與PLC的模擬接口已經(jīng)被現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)替換。這種設(shè)施可減少電纜布線成本和布線復(fù)雜性，因為幾個節(jié)點可以以環(huán)形拓撲連接到PLC。具有節(jié)點和PLC之間的數(shù)字通信的集中式控制體系結(jié)構(gòu)的這種變型的缺點在于，控制更新速率現(xiàn)在受到現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)的帶寬的限制?？紤]到所有節(jié)點需要以8到16位字的形式連續(xù)地廣播其反饋值，并考慮PLC需要以8到16位字的形式連續(xù)廣播對控制閥的操縱，意味著信息能被傳輸?shù)乃俾适艿浆F(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)的恒定帶寬的限制。最終結(jié)果是，液壓軸線的性能受到從中央控制器接收的操縱的延遲時間的損害。

發(fā)明內(nèi)容
對這些問題的解決方案在于使用本申請所公開的類型的“分布式控制體系結(jié)構(gòu)”，其中，用于各個液壓軸線的狀態(tài)反饋控制算法在控制該特定軸線的液壓閥上本地地執(zhí)行。“分布式控制體系結(jié)構(gòu)”的優(yōu)點在于，傳感器可直接連接到相關(guān)液壓控制閥，不再占用現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)上的寶貴帶寬。另外，液壓控制閥能本地地產(chǎn)生其自己的命令軌道(trajectory)，而不需要從中央PLC接收，這進一步減小了現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳送。由于狀態(tài)反饋控制算法嵌入在液壓控制器10的微處理器上，控制指令能以高得多的速率被執(zhí)行，由此顯著改進了所述液壓軸線的動態(tài)性能。最后，中央PLC的響應(yīng)性得到顯著簡化，允許使用復(fù)雜性較小且成本較低的單元。新的中央計算機成為管理(supervisory)PLC,其對各個液壓軸線的移動進行協(xié)調(diào)，而不再需要連續(xù)監(jiān)視和連續(xù)操縱各個液壓軸線。作為替代地，管理PLC可將“Start Profile”位傳送到分布式控制器。分布式控制器將接收這 種“Start Profile”位，于是,執(zhí)行其配置文件(profile),接著用“Profile Complete”位進行響應(yīng)。新的管理PLC將會監(jiān)視各個分布式控制器的狀態(tài)和故障狀態(tài)，如果任何分布式控制器產(chǎn)生故障標識，采取適當(dāng)?shù)膭幼?。分布式控制體系結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線通信流量由數(shù)字傳感器字和數(shù)字操縱字的連續(xù)廣播減小到狀態(tài)和故障位的周期性廣播。另外，示例性液壓控制系統(tǒng)的配置允許基于微處理器的控制算法由用戶編程，而不是專門由制造者編程。這允許編程中更大的靈活性，并保護用戶的知識產(chǎn)權(quán)。


圖I為連接到液壓致動器的示例性流體控制裝置的原理圖；圖2為一原理圖,其不出了控制電路板的模塊和多種輸入與輸出的布置；圖3為連接到一系列從致動器的示例性流體控制裝置的原理圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參照下面的討論以及附圖，詳細示出了對所公開的系統(tǒng)和方法的說明性途徑。盡管附圖示出了某些可能的途徑，附圖不必按比例繪制，某些特征可被放大、移除、或部分地以截面示出，以便更好地示出和解釋本公開。另外，這里給出的介紹不是為了窮舉或以其他方式將權(quán)利要求限制或局限到附圖所示出以及下面的具體介紹所公開的精確的形式和配置。另外，在下面的討論中可能引入若干個常數(shù)。在某些情況下，提供了常數(shù)的說明性值。在其他情況下，沒有給出具體值。常數(shù)的值將依賴于所關(guān)聯(lián)的硬件的特性、這些特性彼此之間的相互關(guān)系以及與所公開的系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的環(huán)境條件和運行條件。圖I示出了用于控制液壓致動器12的控制裝置10的原理圖。外殼14安裝到液壓控制閥16?？刂崎y16被示為側(cè)面透視圖?？刂崎y16對工作流體的流動進行控制，工作流體例如為液壓油，其被泵18加壓，通過控制閥16，最后到達液壓致動器12，并從致動器12回到返回槽20。在示例性實施例中，致動器12為液壓汽缸，其在圖1、2、3中被示為雙端汽缸，但可以為任何類型的合適的致動器。例如，致動器12可以為差動汽缸或液壓馬達。從控制閥16到致動器12的液壓軟管或管連接以用于連接到泵18的泵連接P、用于從控制閥到槽20的槽連接T以及用于從控制閥到雙端汽缸致動器12的軟管或管連接A、B示出。用于測量梭閥(shuttle valve)或滑閥(spool valve)(未示出)或其他類型的閥裝置的位置X的位移傳感器28被容納在控制閥16內(nèi)。位移傳感器28連接到控制器電路板26，其將閥活塞的位置X轉(zhuǎn)換為電氣信號xi，該信號在控制器11中受到處理，并作為閥芯位置的實際值的處理位置被供給。微處理器32內(nèi)的軟件功能與輸入和輸出接口以及控制器11的其他特征一起關(guān)于圖2更為詳細地討論?，F(xiàn)在重新參照附圖中的圖1，示出了液壓連接到液壓致動器12的示例性液壓控制裝置10的原理圖。容納控制器11的外殼14被安裝到液壓控制閥16?？刂崎y16在側(cè)面透視圖中示出?？刂崎y16控制受到壓力的液壓油或其他工作流體從壓力泵18通過壓力線P到液壓致動器12、并經(jīng)由槽線T回到容納槽20的流動。在圖I中，液壓致動器12被示為具有輸出軸22的雙動式液壓致動器，其在一個方向以及在相反的方向受到作用在連接到輸出軸22的活塞24的各個側(cè)的加壓流體的驅(qū)動。內(nèi)部而言，控制閥16容納至少一個高速電磁致動器(未示出)，其接收并對來自控制器11的信號作出反應(yīng)，以便在控制閥16內(nèi)定位 閥芯。控制閥16能使用分級滑閥，其中，第一滑閥用于控制受到壓力的液壓流體到第二滑閥等等的流動，一直到最終級控制受到壓力的液壓油到致動器的流動，致動器例如為汽缸或馬達，在圖I中，示出了汽缸致動器12。重新參照圖I，示出了圖I所示控制器11的用于控制雙端汽缸12的框圖。用于對控制閥的位置X進行控制并因此對致動器12的活塞位置進行控制的控制器11被供以作為實際值來自位移傳感器28的輸出信號xi和作為到控制器11的輸入信號的設(shè)置點xs，使用此信號以及來自致動器12的位置或壓力信號來提供用于控制致動器12的性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破?1的輸出級向容納在控制閥16中的電磁致動器的線圈供以電流ia和ib，其用于定位閥芯，以便控制受到壓力的液壓油或其他加壓流體經(jīng)由流體線A、B到致動器12的流動，從而移動致動器活塞24以呈現(xiàn)信號xs預(yù)先定義的位置，使得致動器活塞24或活塞桿22的實際位置值盡可能快地跟隨所希望的設(shè)置點。重要的是，控制器11基于微芯片或微控制器32，其可由用戶經(jīng)由通信線48或34自由編程，也可由制造者編程，如果希望這樣的話。閥致動器16和雙端汽缸12之間的流體連接A和B經(jīng)由共用的液壓連接線和配件連接。雙端汽缸12的活塞桿22具有位移傳感器23，其將活塞桿22的位置轉(zhuǎn)換為電氣信號si Cp。信號si Cp被供到控制器11，特別是到微處理器32，作為實際位移值。通過對信號xi Cp進行差分，能夠獲得雙端汽缸致動器12的活塞桿22的實際速度值，如速度控制中需要的那樣，如果希望這樣的話。集成到控制閥16的壓力傳感器25測量工作端口線A、B中的壓力以及接口線P、T中的壓力，并向控制器11供給信號Pa、Pb、Ps、Pt。除了信號Pa、Pb、Ps、Pt以外，控制器11被供以來自位置傳感器28的閥活塞位置實際值xi。由信號Pa、Pb之間的加權(quán)壓力差，能夠計算實際壓力值pi，其也為作用在雙端汽缸致動器12的活塞桿22上的力的量度。接口壓力Ps、Pt也和端口壓力Pa、Pb以及與閥活塞位置xi —起使用，計算流入或流出汽缸致動器12的流量?？刂破?1被構(gòu)建為單個的微處理器32，并為閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)的一部分。除了用于汽缸致動器12的活塞桿22的位置控制的算法以外，微處理器32因此能夠處理壓力或流量控制算法，以便最終控制供到汽缸致動器12的流體壓力。代替所介紹的位置控制的是，速度控制、力控制或壓力控制也可由數(shù)字控制器11實現(xiàn)。該裝置為終端用戶提供了將其自己的狀態(tài)反饋控制算法以及其自己的順序邏輯(sequencinglogic)和命令配置文件(command profile)直接編程到一個微處理器32的平臺。作為替代的是，這種控制軟件可由制造者編程。除了所介紹的位置控制以外，可將用戶能想到的任何其他的應(yīng)用控制編程到控制器11中，包括但不限于pQ泵控制pQ汽缸控制負載檢測泵控制單軸線控制壓力和溫度補償流量控制
壓力控制同步軸線控制(主/從)雙閥芯計入/計出控制(主/從)并聯(lián)流量控制安全截止控制預(yù)測和診斷(閥以及相關(guān)機器)控制器11以微處理器32為中心，其為具有NC和/或PLC功能的可自由編程序列控制器。在這種情況下，NC為在用于“數(shù)字控制”的機器控制系統(tǒng)中使用的標示，PLC為對于“可編程邏輯控制器”使用的標示。微處理器32也提供了可自由編程狀態(tài)反饋控制算法的平臺。微處理器32的編程可由用戶進行，以便保護用戶的知識產(chǎn)權(quán)不受外界實體侵害。許多使用液壓閥來控制機器上的液壓軸線的OEM希望保護他們在液壓軸線控制領(lǐng)域中的知識產(chǎn)權(quán)。他們將液壓軸線的控制視為其面對其他機器制造商的核心競爭力以及競爭優(yōu)勢。這里所要求專利權(quán)的液壓控制系統(tǒng)10提供了終端用戶對其自己的控制邏輯和狀態(tài)命令配置文件以及狀態(tài)反饋算法進行編程的平臺，因此向機器制造者提供了保護其IP的能力。除了提供可自由編程平臺以外，這里所要求專利權(quán)的液壓控制系統(tǒng)還使得對于多軸線控制的“分布式控制體系結(jié)構(gòu)”成為可能。在典型的機器上，存在幾個液壓軸線，其同時需要受到控制?，F(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)的控制體系結(jié)構(gòu)——下面稱為“集中式控制體系結(jié)構(gòu)”一包含一個PLC，其負責(zé)協(xié)調(diào)所有液壓軸線的運動。這使得所有傳感器信號必須被傳送到所述的一個機器PLC。這還使得這一單個PLC必須同時運行用于所有液壓軸線的幾個狀態(tài)反饋、閉環(huán)控制算法。單個機器PLC于是向各個液壓控制閥發(fā)送命令或操縱。集中式控制體系結(jié)構(gòu)的缺點在于，導(dǎo)致遍及機器對電纜進行布線的顯著成本，以及在PLC面板中的顯著的布線復(fù)雜性。另外，需要成本浩大的高端PLC來同時協(xié)調(diào)所有的液壓軸線，并以足夠的控制速率運行幾個狀態(tài)反饋控制算法，以便實現(xiàn)各個液壓軸線的需要的動態(tài)性能。作為對“集中式控制體系結(jié)構(gòu)”的改進，所有的傳感器、控制閥與PLC的模擬接口在某些設(shè)施中已經(jīng)被現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)替代。這種設(shè)施能減少電纜布線成本和布線復(fù)雜性，因為幾個節(jié)點能以環(huán)形拓撲連接到PLC。具有節(jié)點與PLC間數(shù)字通信的集中式控制體系結(jié)構(gòu)的這種變型的缺點在于，控制更新速率現(xiàn)在受到現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)的帶寬的限制?？紤]到所有節(jié)點需要以8到16位字的形式連續(xù)廣播其反饋值，并考慮到PLC需要以8到16位字的形式連續(xù)廣播對控制閥的操縱，意味著傳輸信息的速率受到現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)的恒定帶寬的限制。最終結(jié)果是，液壓軸線的性能受到從中央控制器接收的操縱的延遲時間的限制。對這些問題的解決方案在于使用“分布式控制體系結(jié)構(gòu)”，其中，對各個液壓軸線的狀態(tài)反饋控制算法在控制該特定軸線的液壓閥處本地地執(zhí)行?！胺植际娇刂企w系結(jié)構(gòu)”的優(yōu)點在于，傳感器能直接連接到相關(guān)的液壓控制閥，不再占據(jù)現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)的寶貴帶寬。另外，液壓控制閥能本地地產(chǎn)生其自己的命令軌道，而不需要從中央PLC接收，這進一步減小了網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)傳輸。由于狀態(tài)反饋控制算法被嵌入在液壓控制器10的微處理器32中，控制指令能以高得多的速率被執(zhí)行，由此顯著改進所述液壓軸線的動態(tài)性能。最后，中央PLC的責(zé)任得到大大簡化，允許使用復(fù)雜性較低且成本較低的單元。新的中央計算機變?yōu)楣芾鞵LC，其協(xié)調(diào)各個液壓軸線的運動，但不再需要連續(xù)監(jiān)視和連續(xù)操縱各個液壓軸線。作為替代的是，管理PLC可向分布式控制器傳輸“Start Profile”位。分布式控制器可將此“Start Profile”位傳送到分布式控制器。分布式控制器可接收此“StartProfile”位，于是，執(zhí)行其配置文件，接著，用“Profile Complete”位進行響應(yīng)。新的管理PLC將會監(jiān)視各個分布式控制器的狀態(tài)和故障狀態(tài)，并且，如果任何分布式控制器產(chǎn)生故障標識，采取適當(dāng)?shù)膭幼鳌７植际娇刂企w系結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)或是現(xiàn)場總線通信流量從數(shù)字傳感器字以及數(shù)字操縱字的連續(xù)廣播減小到狀態(tài)和故障位的周期性廣播。 現(xiàn)在參照圖2，示出了控制電路板的模塊和多種輸入與輸出的布置?？刂破?1具有到全局總線系統(tǒng)34的第一接口 113，控制裝置10經(jīng)由其被連接到更高階的控制器，例如管理PLC 60?？刂破?1具有到本地總線系統(tǒng)33的第二接口。用于控制另外的汽缸或其他的致動器的進一步的裝置和傳感器在各自的情況下連接到此總線系統(tǒng)33，其可通過圖2所示的網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線接口 113?？偩€系統(tǒng)33和34連接到電路板26，如圖1、2所示。通過替換電路板部件，例如網(wǎng)絡(luò)總線接口 113，控制裝置10能以簡單的方式連接到不同的總線或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？刂破?1經(jīng)由全局總線系統(tǒng)32連接到管理PLC 60。在此全局總線系統(tǒng)34中，管理PLC 60被標示為“主(master)”，閥控制器11被標示為“從(slave)”。第二總線系統(tǒng)——被標示為本地總線系統(tǒng)33—被提供為在液壓軸線必須由兩個或多于兩個的液壓致動器12B和液壓控制閥50控制時使用。它的一個實例為按壓應(yīng)用，其中，兩個液壓汽缸必須彼此平行地跟隨同樣的軌道。在這種情況下，控制器11將被標示為本地總線系統(tǒng)33上的主節(jié)點，第二液壓控制閥50將被標示為本地總線系統(tǒng)33上的從節(jié)點?？刂破?1將負責(zé)控制其自己的液壓控制閥10，控制器11也可負責(zé)控制第二液壓控制閥50。本地總線系統(tǒng)例如為經(jīng)由本地總線33的CAN總線。其將裝置和可能的具有適當(dāng)?shù)耐ㄐ拍芰Φ钠渌b置彼此連接，因為本地和全局總線33、34允許在多個裝置之間交換數(shù)據(jù)。全局總線系統(tǒng)34和本地總線系統(tǒng)33之間的這種數(shù)據(jù)交換由擴展對象字典數(shù)據(jù)庫124使能。經(jīng)由這種數(shù)據(jù)交換，例如，兩個致動器汽缸的活塞桿的同步控制能夠?qū)崿F(xiàn)。全局總線系統(tǒng)34將裝置連接到更高階的控制器，例如管理計算機60。其用于個體裝置和管理計算機60之間的通信。在圖2中，管理計算機60被示為可編程邏輯控制器(PLC)，但也可通過PC實現(xiàn)。經(jīng)由全局總線系統(tǒng)34，管理計算機60能被供以來自包含在目標字典數(shù)據(jù)庫124中的傳感器數(shù)據(jù)或來自致動器12的不同的實際值，或用于監(jiān)視或控制目的的故障位或診斷數(shù)據(jù)或控制閥狀態(tài)信息。受到壓力的液壓流體一例如液壓油一通過液壓線A和/或B進入致動器12，其流速和壓力響應(yīng)于控制閥16內(nèi)的滑閥(未示出)的運動，基于多種傳感器輸入和希望的移動命令，使用制造者、用戶或某些第三方提供者供給的算法?？刂破?2可被連接到全局或本地數(shù)字通信系統(tǒng)或二者。全局或本地數(shù)字通信系統(tǒng)可以為例如CAN的現(xiàn)場總線，或為例如以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。連接器33、34分別為到本地和全局數(shù)字通信系統(tǒng)的電氣連接的所示出的圖示。還示出了電氣連接48、46，其中，連接器48可用于微處理器32的程序閃存，連接器46可連接到多種外部傳感器42，例如位移、壓力、溫度或振動傳感器。將外部傳感器數(shù)據(jù)傳送到控制器11的另一種途徑是通過串行通信線，使用例如多工的系統(tǒng)，對串行發(fā)送的傳感器值進行編碼并接著進行解碼，使用微處理器32或分立的通信裝置，例如圖2所示的SSI接口 126 或A-D 123。
現(xiàn)在重新參照附圖中的圖2，示出了示例性控制裝置10的控制器11的說明性圖。機載應(yīng)用控制器103被示為包含在圖2所示的虛線框內(nèi)，并包含處理器部分102，其處理狀態(tài)反饋應(yīng)用控制算法；順序邏輯部分104，其處理順序邏輯和CNC命令配置文件二者。在示例性控制裝置10中，提供了一種軟件平臺，使得應(yīng)用控制算法能夠由用戶編程，但可作為替代地由制造者編程。軟件平臺也允許用戶對順序邏輯和CNC配置文件進行編程，或者，可作為替代地由制造者編程。示例性液壓控制裝置10使用級聯(lián)控制體系結(jié)構(gòu)，由此，順序邏輯和NV控制器104以最高級別運行。此控制器的功能為接收來自管理PLC 60的“Start Profile”命令，并向管理PLC 60發(fā)送“Prof ile Complete”狀態(tài)。順序邏輯和NC控制器104也可向管理PLC60傳送其他的多種狀態(tài)字，例如狀態(tài)機的當(dāng)前狀態(tài)或診斷或故障信息。最后，順序邏輯和NV控制器104向級聯(lián)中的下一較低控制器提供命令配置文件和順序信息，其為應(yīng)用狀態(tài)反饋控制器102。應(yīng)用控制器103具有對對象字典數(shù)據(jù)庫124的讀寫訪問。此數(shù)據(jù)庫為用于存取由A/D 123或SSI接口 126寫到其中的檢測數(shù)據(jù)的貯存器。此數(shù)據(jù)庫124也為存儲將由網(wǎng)絡(luò)/現(xiàn)場總線接口 113廣播的狀態(tài)信息的貯存器。級聯(lián)中的下一較低控制器為應(yīng)用狀態(tài)反饋控制器102。此控制器的功能是以迅速、固定的采樣率執(zhí)行軟件指令，以便執(zhí)行實時的狀態(tài)反饋控制算法。應(yīng)用狀態(tài)反饋控制器102從順序邏輯和NC控制器104接收其命令軌道，并經(jīng)由對象字典數(shù)據(jù)庫124接收檢測到的狀態(tài)反饋參數(shù)。基于這些命令和反饋，應(yīng)用狀態(tài)反饋控制器102計算將要傳送到級聯(lián)中的下一較低控制器的操縱。應(yīng)用狀態(tài)反饋控制器102能由用戶編程，或者，其可由制造者預(yù)先編程。級聯(lián)中的下一較低控制器可以為控制閥活塞位置控制器114或控制閥致動器電流控制器116，或控制閥致動器PWM控制器112。這種選擇可由應(yīng)用控制器103經(jīng)由對象字典數(shù)據(jù)庫124中的“控制模式”參數(shù)進行軟件選擇?？刂颇Ｊ降倪@種軟件選擇被示為圖2中的開關(guān)110。開關(guān)107的位置由處理器部分102選擇，使得流量控制器106被連接到開關(guān)110，或者壓力控制器108被連接到開關(guān)110?？刂崎y活塞位置控制器114包含軟件邏輯，用于基于命令的活塞位置和實際活塞位置xi之間的誤差計算和產(chǎn)生電流命令。此信號被傳送到電流控制器116。電流控制器116基于命令電流和檢測到的致動器電流ia或ib之間的誤差產(chǎn)生PWM命令信號。PWM信號被發(fā)送到脈寬調(diào)制(PWM)電流驅(qū)動器112。PWM電流驅(qū)動器112產(chǎn)生電流ia和ib，其流過電磁閥致動器A 118和B 120，產(chǎn)生移動控制閥活塞的力。電磁閥致動器118和120確定控制閥活塞的位置，其又控制受到壓力的液壓油到液壓致動器52的流動。
作為實例，基于用戶編程邏輯104，順序邏輯和NC控制器104將會調(diào)用流量控制狀態(tài)反饋控制器106或壓力控制狀態(tài)反饋108控制器，從而執(zhí)行通常在注塑機中使用的PQ控制應(yīng)用。順序邏輯和NC控制器104將會在所述運行狀態(tài)期間向所選擇的狀態(tài)反饋控制器提供用戶編程的流量命令配置文件或壓力命令配置文件。所選擇的狀態(tài)反饋控制器的輸出可以為基于開關(guān)110的狀態(tài)到114、116或112的操縱，最終定位控制閥閥芯。通過類似的方式，另外的液壓致動器可在本地現(xiàn)場總線上經(jīng)由從閥50受到應(yīng)用控制器103的控制。如果希望的話，使用“軟件開關(guān)”，通過對象字典數(shù)據(jù)庫124中的“閥控制模式”的選擇，位置控制器114或電流控制器116或二者能從處理鏈中省略。如圖2中的項目110所示這種“軟件開關(guān)”的狀態(tài)受到應(yīng)用控制器103的控制。使用這種機制，應(yīng)用控制器104所產(chǎn)生的控制信號能被饋送到位置控制器114或電流控制器116，或直接到PWM電流驅(qū)動器112。為了將一個分布式液壓軸線12A和12B的高層次運動與機器上的另一個分布式液 壓軸線協(xié)調(diào)，管理PLC計算機60連接到全局網(wǎng)絡(luò)總線線路34，其又連接到應(yīng)用控制器103。用戶能將應(yīng)用控制器103編程為命令液壓軸線的希望的運動或性能，如管理PLC 60所指示的那樣。應(yīng)用控制器103于是產(chǎn)生需要的控制信號，其被傳送到級聯(lián)中的下游的控制器112、114、116，以及在同步軸線控制的情況下經(jīng)由本地總線網(wǎng)絡(luò)連接33傳送到從液壓控制閥50。兩個致動器在此實例中示出，但在示例性系統(tǒng)中可使用一個或多個控制器。致動器12A、12B的運動為通過使用應(yīng)用控制器103的閉環(huán)控制，其中，傳感器的選擇用于提供閉環(huán)控制輸入。如圖5所示，項目25和圖2的項目130為壓力傳感器，其包含傳感器Pa和Pb，用于測量從控制閥10到其相應(yīng)的致動器12的工作端口壓力。壓力傳感器Ps測量高壓流體供給線的壓力，壓力傳感器Pt測量返回槽(未示出)中的流體水平。傳感器Vp測量第二級控制閥閥芯(未示出)的位置，傳感器Cp測量液壓致動器活塞12的位置。人們認識到，用戶將其自己的控制邏輯和算法編程到可能需要附加傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用控制器提供了最大靈活性。為此目的，已經(jīng)提供了外部傳感器接口 125，將外部傳感器數(shù)據(jù)傳送到控制器11。通過對擴展對象字典數(shù)據(jù)庫(103)的讀取訪問，這種外部傳感器數(shù)據(jù)對于應(yīng)用控制器103變得可用。擴展對象字典124被連接到A-D 123、到應(yīng)用控制器103的網(wǎng)絡(luò)總線接口 113以及到SSI接口 126。SSI接口 126作用于將來自外部數(shù)字傳感器(未示出)的信號傳送到對象字典124，而不像對來自外部模擬傳感器130的信號進行數(shù)字化的A-D 123那樣。對象字典124可包含信息和其他數(shù)據(jù)，例如校準設(shè)置、傳感器參數(shù)、診斷標識、控制算法參數(shù)、增益表、信號閾值和死區(qū)?，F(xiàn)在參照附圖中的圖3，示出了連接到一系列從致動器的控制器17的原理圖。電路板11包含多個電子部件，例如微處理器32和接口模塊。本地通信信號線33A連接到本地通信現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)，例如CAN總線或以太網(wǎng)。全局通信信號線34連接到全局通信現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)，例如CAN或以太網(wǎng)。微處理器32可以為專用集成電路(ASIC)微芯片或類似裝置，其提供產(chǎn)生多種信號需要的信號處理和算法支持，例如發(fā)送到液壓控制閥16和從液壓控制閥50A、50B的控制信號。多種液壓控制閥在圖3中示為連接到控制器11，作為總線或網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)33上的節(jié)點50A和50B?？刂破?1被標示為“主”，附加的液壓控制閥被標示為“從”。各個液壓控制閥10、50A和50B也經(jīng)由液壓連接而連接到汽缸致動器12A、12B、12C。各個汽缸致動器具有傳感器23A、23B、23C，用于測量致動器活塞的位置和/或速度。各個致動器傳感器經(jīng)由接口 56A、56B、56C連接到控制器11。接口 56A、56B、56C可以為模擬接口或數(shù)字接口，例如SSI或離散接口，例如輸出和編碼器。致動器傳感器23A、23B、23C也可接口到控制器11，作為本地網(wǎng)絡(luò)或總線系統(tǒng)33上的附加的從節(jié)點。通過這種方式，控制器11可控制由控制器11所位于的液壓控制閥10控制的液壓致動器12A，以及一個或多于一個的附加液壓致動器12B、12C。用于各個液壓致動器的控制邏輯和狀態(tài)反饋算法可被用戶編程到控制器11中，如這里所介紹的那樣?，F(xiàn)在重新參照附圖中的圖3，示出了示例性液壓控制系統(tǒng)11的原理圖，其中，控制器17用于發(fā)送控制信號到至少一個從控制閥單元，例如控制閥50A、50B?？刂破?7電氣連接到本地總線33，其可以為前面已經(jīng)討論的CAN總線。電氣通信信號在本地總線33上發(fā)送，其連接到從控制閥50A、50B中的每一個。被發(fā)送的信號被編碼，使得適當(dāng)?shù)膹闹聞悠?0A、50B僅僅響應(yīng)于其從控制信號。從控制信號代表變量，例如希望的汽缸位置或控制閥位置或壓力水平或力水平。與從致動器的性能相關(guān)聯(lián)的變量借助通信線56A、56B、56C被傳送，通信線56A、56B、56C被連接到致動器23A、23B、23B中的每一個的傳感器，該傳感器檢測液壓汽缸12A、12B、12C的移動。來自傳感器的信號于是被傳輸?shù)娇刂破?7,在那里,它們被處 理，新的控制信號經(jīng)由本地總線線路33發(fā)送到控制閥10、50A、50B。液壓汽缸12A、12B、12C的位置通過從通信線路56A、56B、56C被傳輸?shù)娇刂破?7。傳感器產(chǎn)生的信號的幅度可被編碼和多路復(fù)用，或者，例如致動器傳感器23A、23B、23B的傳感器可被直接連接到控制器17?？刂破?7通過全局總線通信線34與中央管理計算機60——其可以為PLC——電氣通信。管理計算機60可以被編程為調(diào)節(jié)主液壓控制裝置10’，調(diào)節(jié)響應(yīng)于由主控制裝置10’、特別是由微處理器產(chǎn)生的控制信號的從致動器的性能。例如，用戶能對主和從致動器12A-C的移動循序移動的請求進行編程。微處理器32——其已經(jīng)被用戶閃存編程——于是產(chǎn)生發(fā)送到主控制閥10以及從液壓控制閥50A、50B的每一個的控制信號，以便產(chǎn)生致動器12A、12B、12C的希望的運動。通過這種方式，單個控制器11能以分布式控制體系結(jié)構(gòu)工作，以便控制需要兩個或多于兩個液壓控制閥的機器上的分布式功能。分布式多控制閥功能的實例包括但不限于下面的應(yīng)用同步軸線控制(主/從)雙閥芯計入/計出控制(主/從)并行流量控制安全截止的分布式控制主液壓控制閥17作用為全局網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線接口 34上的從機，其由管理PLC 60作為主機。管理PLC 60監(jiān)視和協(xié)調(diào)機器上的其它分布式控制器，例如17、17’、17”。已經(jīng)參照上面的說明特別示出和介紹本公開，其僅僅說明實施本公開的最佳方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明了，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本公開的精神和范圍的情況下，在實踐本公開時可使用對這里介紹的本公開的說明的多種替代方式。下面的權(quán)利要求限定本公開的范圍，其覆蓋這些權(quán)利要求及其等價內(nèi)容范圍內(nèi)的方法和設(shè)備。對本公開的介紹應(yīng)當(dāng)理解為包括這里所介紹的元件的所有新穎和非顯而易見的組合，權(quán)利要求在本申請或后來的申請中覆蓋這些元件的任何新穎的和非顯而易見的組合。另外，前面的說明是說明性的，沒有一個特征或元件對可能在本申請或較后申請中要求權(quán)利的所有組合是實質(zhì)性的。
權(quán)利要求
1.一種流體控制系統(tǒng)，其具有用于控制致動器的運動的控制算法，包含 微處理器，其包含能由用戶編程的所有控制算法； 控制閥，用于控制加壓流體到致動器的流動； 閥位置傳感器，其連接到所述控制閥并產(chǎn)生位置信號； 其中，微處理器產(chǎn)生命令信號，其被傳送到所述控制閥，所述控制閥移動，以便允許加壓流體進入致動器，從而使得致動器移動，由此使得所述閥位置傳感器向所述微處理器傳送變化后的位置信號，用于在閉環(huán)控制算法中使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的流體控制系統(tǒng)，其還包含模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接在外部傳感器和所述微處理器之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的流體控制系統(tǒng)，其還包含SSI裝置，所述SSI裝置連接在外部傳感器和所述微處理器之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的流體控制系統(tǒng)，其中，所述微處理器包含應(yīng)用控制算法和順序邏輯部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的流體控制系統(tǒng)，其還包含網(wǎng)絡(luò)總線接口，用于與管理控制器以及從致動器通信。
6.一種流體致動器控制系統(tǒng)，其用于流體致動器，包含 可編程微處理器，包含所有用于調(diào)節(jié)所述流體致動器的運動的控制算法； 控制閥，其電氣連接到所述微處理器，液壓連接到液壓致動器； 位置傳感器，其連接到所述控制閥，用于產(chǎn)生指示所述控制閥的位置的位置信號； 所述位置傳感器電氣連接到所述微處理器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的流體致動器控制系統(tǒng)，其還包含傳感器通信線，其中，所述通信線被連接到一個或多于一個的傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的流體致動器控制系統(tǒng)，其中，工作流體為液壓油。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的流體致動器控制系統(tǒng)，其還包含本地通信總線，本地通信總線連接到所述微處理器，并連接到至少一個外部傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的流體致動器控制系統(tǒng)，其還包含全局通信總線，全局通信總線連接到所述微處理器，并連接到管理計算機。
11.一種控制流體動力致動器的方法，包含 提供控制器，所述控制器包含可編程微處理器； 提供控制閥，其電氣連接到所述控制器，液壓連接到流體致動器控制算法電路，該電路被用戶編程到所述控制器之中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其還包含提供致動器傳感器，所述致動器傳感器被連接到流體動力致動器，并電氣連接到所述控制器，其中，所述控制器產(chǎn)生到所述控制閥的信號，以便控制所述致動器傳感器的輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其還包含提供閥位置傳感器，所述閥位置傳感器被連接到所述控制閥，所述閥位置傳感器產(chǎn)生指示所述控制閥的狀態(tài)的信號；以及提供連接所述閥位置傳感器和所述控制器的信號線。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其還包含提供本地總線，用于所述控制器和至少一個外部傳感器或從致動器之間的通信。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其還包含提供全局總線，用于所述控制器和管理計算機之間的通信。
16.一種液壓致動器控制系統(tǒng)，用于控制主致動器和至少一個從致動器的運動，包含 外部管理計算機，用于發(fā)送命令信號； 液壓控制系統(tǒng)，其連接到主致動器，并連接到所述管理計算機，所述控制系統(tǒng)包含微處理器和主液壓控制閥，用于基于所述命令信號控制加壓流體到所述主致動器的流動；以及 至少一個從致動器，其具有連接到所述微處理器的至少一個從傳感器，并具有至少一個從控制閥，用于控制加壓流體到所述閥致動器的流動，其中，所述從控制閥和所述從傳感器受到所述微處理器的控制。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的液壓致動器控制系統(tǒng)，其中，所述微處理器包含應(yīng)用控制算法，其可由用戶編程。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的液壓致動器控制系統(tǒng)，其還包含網(wǎng)絡(luò)總線接口，網(wǎng)絡(luò)總線接口連接到所述微處理器，并連接到所述從致動器。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的液壓致動器控制系統(tǒng)，其還包含流量控制器和壓力控制器，其中，所述微處理器選擇使用所述流量控制器或所述壓力控制器。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的液壓致動器控制系統(tǒng)，其還包含模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接到所述微處理器以及到所述至少一個外部傳感器。
全文摘要
一種用于控制流體致動器的運動的裝置，其包含電氣操作的控制閥，該控制閥響應(yīng)于致動器控制器產(chǎn)生的信號控制加壓流體到以及來自流體致動器的流動，致動器控制器使用機載用戶可編程微處理器，其中，用戶能將多種控制算法下載到微處理器中，用于基于參數(shù)控制致動器的運動，參數(shù)例如為流體壓力和流動速率以及致動器位移。多種外部傳感器可使用多種信號接口連接到控制器，用于監(jiān)視和控制目的，信號接口例如為模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器或SSI接口。本地通信總線用于與一個或多于一個的從致動器通信，其各自具有其自己的電氣操作控制閥，該閥響應(yīng)于控制器產(chǎn)生并在局部總線上發(fā)送到從控制閥的控制信號控制加壓流體到以及來自從致動器的流動。傳感器用于測量從致動器的多種操作參數(shù)，并產(chǎn)生在局部總線上發(fā)送到控制器的信號。管理計算機用于向控制器發(fā)送高層次的命令信號，其中，控制器產(chǎn)生到一個或多于一個的流體致動器的閉環(huán)控制信號。
文檔編號F15B21/08GK102812257SQ201180014950
公開日2012年12月5日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月22日
發(fā)明者K·E·阿爾斯特里恩, P·勞爾, B·W·羅布 申請人:伊頓公司