一种多缸同步控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多缸同步控制系统及方法，属于伺服控制领域。首先基于PTP协议实现1μs内时间同步，再基于高度同步的位移及压力给定信号和PID反馈控制实现多缸同步控制。本发明专利技术能可靠地实现多液压油缸的高精度同步控制，避免设备因力分布不均而发生结构破坏问题，又或因同步效果差而发生机械设备运动效果差的问题，以实现多液压油缸的高精度同步控制，保证设备的安全可靠性。基于上述油缸同步控制方法，能很好地实现多液压油缸的高精度同步控制，避免因同步精度不高而导致的设备损坏或运动效果差等问题。动效果差等问题。动效果差等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种多缸同步控制系统及方法


[0001]本专利技术属于伺服控制领域，涉及一种多缸同步控制系统及方法。

技术介绍

[0002]现代工业机械设备中，液压油缸的应用越来越多，它是一类将液压能转换为机械能、做直线往复运动(或摆动运动)的基础运动元件，具有结构简单、控制响应快、运动平稳且精度高等特点。另一方面，随着现代机械设备结构及其运动模式越来越复杂，多个液压油缸同时作用于同一设备的情况也越来越多，比如冶金连铸设备、大型锻造液压机、舰载飞机的弹射系统等等，都需要多个液压油缸的同步配合工作。
[0003]为实现多液压油缸的同步配合工作，需要保证这些液压油缸的实际位移及压力等工作状态参数严格跟随给定，且必须同时跟随给定，否则易使机械设备因为力分布不均而发生结构破坏问题，又或因同步效果差而发生机械设备运动效果差的问题。因此，多液压油缸的高精度同步控制方法十分重要。
[0004]专利技术专利：《一种多液压缸同步控制方法》(专利申请号200910190950.4)公开了一种多液压油缸同步控制方法，所述控制方法包括下列步骤：A、控制器判断某一时刻缸的位移实际值PV是否到达行程值，若到达，则使得PID设定值SP等于该行程值；若不到达，则根据液压缸的实际位置值PV计算出PID设定值SP；根据SP及PV使用PID算法得到一个比例阀的开度设定值，比例阀按照此开度设定值做阀芯移动，并引起液压缸的运动；B、将液压缸的实际位置值PV反馈给控制器，转入步骤A；本专利技术中的同步控制方法不限运动缸数，没有主从运动缸的分工，缸运动速度和精度可通过参数调节，缸的运动速度是不固定的，以最快的速度到达目标值，最前缸与最后缸的位移值越接近，整体运动速度越快。
[0005]专利技术专利：《基于PI算法的多油缸同步控制方法和系统》(专利申请号202210689961.2)公开了一种基于PI算法的多油缸同步控制方法和系统，先获取用于控制油缸运动的模拟量信号的基础定值；并获取相邻的两个油缸在第k个采样周期的位移差值以及k个采样周期内的位移差值累加值；随后基于基础定值、比例系数和积分系数实时获取每个油缸对应的模拟量信号值；最后基于每个油缸的模拟量信号值进行多油缸机构的高精度同步控制。
[0006]上述专利技术专利提出了若干不同的多缸同步控制系统和方法，基本上是从PID算法设计的角度出发的。而本专利技术是基于时间同步来设计同步控制方法，与上述方法有很大的差别。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种多缸同步控制系统及方法，首先基于PTP协议实现1μs内时间同步，再基于高度同步的位移及压力给定信号和PID反馈控制实现多缸同步控制。本专利技术能可靠地实现多液压油缸的高精度同步控制，避免设备因力分布不均而发生结构破坏问题，又或因同步效果差而发生机械设备运动效果差的问题，以实现多液压油
缸的高精度同步控制，保证设备的安全可靠性。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种多缸同步控制系统，该系统包括控制上位机、若干液压油缸、若干油缸控制器和PTP交换机；
[0010]PTP交换机为支持精确时间协议IEEE 1588V2的以太网交换机。
[0011]其中，每个液压油缸均由一个单独的油缸控制器进行运动控制。
[0012]每个液压油缸还配有位移及压力传感器，负责采集液压油缸的位移及压力实际信号。油缸控制器使用位移及压力实际信号实现高精度的PID闭环反馈控制。
[0013]控制上位机、多个油缸控制器均通过网线连接在PTP交换机上，实现以太网互联通信。
[0014]可选的，所述油缸控制器采用FPGA芯片作为主控芯片；
[0015]所述FPGA芯片配有外围电路：恒温晶振模块、位移及压力传感器的信号调理电路、以太网网口及物理层PHY芯片。
[0016]其中，恒温晶振模块用于产生恒定频率的时钟信号，FPGA芯片对该时钟进行分频和倍频，用分频和倍频后的高质量时钟作为工作时钟。
[0017]所述FPGA芯片由油缸PID算法控制模块和以太网通信模块构成。
[0018]所述油缸PID算法控制模块计算位移及压力给定信号；运行PID算法并向液压油缸输出控制信号；最终令由位移及压力传感器采集的，并经信号调理电路调制的位移及压力实际信号严格跟随位移及压力给定信号。
[0019]所述以太网通信模块和PHY芯片相连接，收发并处理以太网数据，令油缸控制器具备以太网通信功能。
[0020]可选的，所述FPGA芯片的以太网通信模块由多个子模块组成，包括MAC层模块、IP层模块、UDP/TCP层模块、PTP时间同步模块；
[0021]所述PTP时间同步模块包含一个计数器模块，用于生成PTP硬件时间戳。
[0022]其中，PTP时间同步模块和PTP交换机负责收发和处理PTP协议规定的PTP时钟同步报文，实现多油缸控制器之间的1μs内时间同步，时间同步是多缸同步控制的基础。
[0023]所述PTP时钟同步报文包括Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_resp_follow_up报文。其他PTP时钟同步报文类型不进行处理，减少FPGA编程复杂性和逻辑资源消耗。另一方面减少网络中的PTP时钟同步报文数量，降低网络负载。
[0024]所述UDP/TCP层模块负责收发和处理UDP/TCP数据报文。UDP/TCP数据报文包括：PTP主从状态设置报文、PTP时间同步状态通知报文、油缸同步控制开启/停止报文、油缸位移及压力信息报文；UDP/TCP数据报文用于控制多缸同步控制系统正常运行。
[0025]可选的，所述FPGA芯片还包含时钟管理器，为时钟管理器提供输入时钟和分频倍频系数，时钟管理器按照分频倍频系数对输入时钟进行精细的倍频与分频，输出多种频率的高质量工作时钟，给不同模块使用。
[0026]其中，油缸PID算法控制模块的工作时钟为50MHz，以太网通信模块的工作时钟为125MHz。特别地，计数器模块的工作频率为250MHz，即PTP硬件时间戳的分辨率为4ns。时间同步即令不同油缸控制器的计数器模块的计数值之差对应的时间之差控制在1μs之内。
[0027]一种多缸同步控制方法，该方法包括以下步骤：
[0028]步骤A1，指定多油缸控制器其中一个为主时钟，其余为从时钟。
[0029]上述步骤A1实现方法为：控制上位机发送PTP主从状态设置报文，指定多个油缸控制器的其中一个为主时钟Master，其他为从时钟Slave。UDP/TCP层模块识别报文信息，并通知PTP时间同步模块工作在主时钟状态或者从时钟状态。
[0030]步骤A2，基于PTP协议，所有从时钟与主时钟进行时间同步和频率同步。
[0031]所述步骤A2中的时间同步的实现方法为：
[0032]A211.主时钟的PTP时钟同步模块，周期性地通知MAC层模块发送Sync和Follow_up报文。从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多缸同步控制系统，其特征在于：该系统包括控制上位机、若干液压油缸、若干油缸控制器和PTP交换机；PTP交换机为支持精确时间协议IEEE 1588V2的以太网交换机；其中，每个液压油缸均由一个单独的油缸控制器进行运动控制；每个液压油缸还配有位移及压力传感器，负责采集液压油缸的位移及压力实际信号；油缸控制器使用位移及压力实际信号实现高精度的PID闭环反馈控制；控制上位机、多个油缸控制器均通过网线连接在PTP交换机上，实现以太网互联通信。2.根据权利要求1所述的一种多缸同步控制系统，其特征在于：所述油缸控制器采用FPGA芯片作为主控芯片；所述FPGA芯片配有外围电路：恒温晶振模块、位移及压力传感器的信号调理电路、以太网网口及物理层PHY芯片；其中，恒温晶振模块用于产生恒定频率的时钟信号，FPGA芯片对该时钟进行分频和倍频，用分频和倍频后的高质量时钟作为工作时钟；所述FPGA芯片由油缸PID算法控制模块和以太网通信模块构成；所述油缸PID算法控制模块计算位移及压力给定信号；运行PID算法并向液压油缸输出控制信号；最终令由位移及压力传感器采集的，并经信号调理电路调制的位移及压力实际信号严格跟随位移及压力给定信号；所述以太网通信模块和PHY芯片相连接，收发并处理以太网数据，令油缸控制器具备以太网通信功能。3.根据权利要求2所述的一种多缸同步控制系统，其特征在于：所述FPGA芯片的以太网通信模块由多个子模块组成，包括MAC层模块、IP层模块、UDP/TCP层模块、PTP时间同步模块；所述PTP时间同步模块包含一个计数器模块，用于生成PTP硬件时间戳；其中，PTP时间同步模块和PTP交换机负责收发和处理PTP协议规定的PTP时钟同步报文，实现多油缸控制器之间的1μs内时间同步，时间同步是多缸同步控制的基础；所述PTP时钟同步报文包括Sync、Follow_up、Pdelay_req、Pdelay_resp、Pdelay_resp_follow_up报文；其他PTP时钟同步报文类型不进行处理，减少FPGA编程复杂性和逻辑资源消耗；另一方面减少网络中的PTP时钟同步报文数量，降低网络负载；所述UDP/TCP层模块负责收发和处理UDP/TCP数据报文；UDP/TCP数据报文包括：PTP主从状态设置报文、PTP时间同步状态通知报文、油缸同步控制开启/停止报文、油缸位移及压力信息报文；UDP/TCP数据报文用于控制多缸同步控制系统正常运行。4.根据权利要求2所述的一种多缸同步控制系统，其特征在于：所述FPGA芯片还包含时钟管理器，为时钟管理器提供输入时钟和分频倍频系数，时钟管理器按照分频倍频系数对输入时钟进行精细的倍频与分频，输出多种频率的高质量工作时钟，给不同模块使用；其中，油缸PID算法控制模块的工作时钟为50MHz，以太网通信模块的工作时钟为125MHz；特别地，计数器模块的工作频率为250MHz，即PTP硬件时间戳的分辨率为4ns；时间同步即令不同油缸控制器的计数器模块的计数值之差对应的时间之差控制在1μs之内。5.一种多缸同步控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤A1，指定多油缸控制器其中一个为主时钟，其余为从时钟；
上述步骤A1实现方法为：控制上位机发送PTP主从状态设置报文，指定多个油缸控制器的其中一个为主时钟Master，其他为从时钟Slave；UDP/TCP层模块识别报文信息，并通知PTP时间同步模块工作在主时钟状态或者从时钟状态；步骤A2，基于PTP协议，所有从时钟与主时钟进行时间同步和频率同步；所述步骤A2中的时间同步的实现方法为：A211.主时钟的PTP时钟同步模块，周期性地通知MAC层模块发送Sync和Follow_up报文；从时钟的PTP时钟同步模块收到Sync和Follow_up报文后，计算出主从时钟之间的时钟偏差以及链路延迟之和；A212.基于P2P延迟测量方式测量链路延迟，为了减少网络负载并提高实时性，规定：i)主时钟和PTP交换机之间的P2P延迟测量只由PTP交换机发起；ii)从时钟和PTP交换机之间的P2P延迟测量只由从时钟发起；iii)周期性发起P2P延迟测量；A213.基于PTP协议，从时钟的PTP时钟同步模块周期性计算出主从时钟间链路延迟；A214.根据A211和A213，从时钟的PTP时钟同步模块计算出时钟偏差，调整内部计数器模块计数值，即调整PTP硬件时间戳，完成时钟同步；从时钟的PTP时钟同步模块每收到一次Follow_up报文，完成一次时钟同步；所述步骤A2中的频率同步的实现方法为：A221.在A214中，判断到时钟偏差连续若干次大于规定值，则从时钟的PTP时钟同步模块开始进行频率同步，转步骤A222；A222.从时钟的PTP时钟同步模块收到主时钟发来的Follow_up报文时，立刻记录Follow_up报文中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瀚立，龙灏，何小莉，
申请(专利权)人：中冶赛迪技术研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：