振动压路机电液比例控制系统的研究与设计-中国电气传动网欢

振动压路机电液比例控制系统的研究与设计苍松北京航空航天大学摘要：提出了一种可应用于振动压路机的电液比例控制系统的原理、实现方法及软硬件构成等。该系统基于高性能的16位单片机MC9S12XDT512而设计，集成了行走操纵、振动控制、故障检测以及通信功能等。关键词：振动压路机电液比例控制MC9S12XDT512PWMResearchandDesignofElectro-hydraulicProportionalControlSystemforVibratoryRollerCangSongAbstract:Thispaperhasputforwardanewelectro-hydraulicproportionalcontrolsystemforvibratoryroller,andhasintroducedtheprinciple，therealizationaswellasthehardwarecircuitofthesystem.Thecontrolsystemdesignisbasedonhighperformance16-bitmicrocontroller,integratedwithtreadcontrol，vibrationcontrol，faultdiagnosisandcommunicationfunctions.Keywords:vibratoryrollerelectronic-hydraulicproportioncontrolMC9S12XDT512PWM1引言在现代工程机械中，电液比例控制系统具有高控制精度、高安全性、高可靠性等多方面优点，因此应用越来越广泛。本文采用Freescale公司的16位单片MC9S12XDT512作为控制器。采用单片机作为控制器的电液比例控制系统开发成本低，运算能力强，能在短时间内完成大量工作量，而且具有很强的逻辑判断功能，可以实现比较复杂的控制。利用振动压路机机械压实是在修建公路、运输道路、土石方工程、堤坝和建筑物基础、桥梁、表面密封层和垃圾添埋场中不可缺少的施工工艺[1]。因此，压路机控制系统的优化对改善压路机质量，提高压实度和压实效率有着重要的作用。电液比例控制系统是振动压路机关键的控制系统，液压技术在压路机中的应用，不仅使传动系统大大简化、操作简便、省力，而且液压传动使行走机构实现了无级变速，使振动系统能够根据施工要求在较大范围内调频调幅。同时液压技术的应用也为机械的自动检测和控制提供了条件。电液比例控制系统性能的好坏直接决定了振动压路机的整体性能的忧劣，所以，研究和设计一款适用于振动压路机的性能优越的电液比例控制系统具有直接的工程应用价值。2电液比例控制系统原理在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力连续成比例的受到控制，都可以被称为电液比例控制系统[2]。组成电液比例控制系统的基本元件有控制手柄、控制器、脉宽调制(PWM)驱动电路、比例电磁铁、电液比例阀及执行机构等部分。电液比例阀采用PWM调节方式进行控制，通过改变PWM信号的占空比来调节流过比例电磁铁线圈的平均电流，以降低摩擦、减少电磁铁的滞环和死区现象，提高电液比例阀的响应速度。系统采用电流闭环以提高性能和控制精度。控制系统结构见图1。图1控制系统结构图3控制器硬件设计该系统主要由电源单元、数字输入输出、键盘输入、模拟信号处理、单片机、PWM驱动电路、RS232接口、CAN总线接口、显示接口等部分组成。其配置框图如图2所示。图2电液比例控制系统硬件电路框图3.1电源单元系统采用24V电瓶供电，电源单元将24V电压转换成系统所需的稳定电压，同时还要完成电源反接保护、电源滤波、过压保护、过流保护等功能。考虑到系统所需的±12V和±5V电源的电流要求以及各个电源的启动顺序，电源单元选用转换效率高的开关型稳压模块进行设计，以实现高输入电压下的低功耗稳压输出，同时设计相应的滤波器，为系统提供优质的直流电源。电源单元的结构如图3所示。图3电源单元结构图3.2MC9S12XDT512简介MC9S12XDT512微控制器是FREESCALE公司生产的S12系列中功能较强的一款16位控制器。带有512k高速FLASH存储器和32k静态RAM，足以满足系统要求。MC9S12XDT512包含一个16路10位ADC和一个8路10位ADC、CAN总线模块、多路定时器、8路PWM输出，特有XGATE（外围协处理器）模块，能提供外围模块、RAM和I/O端口之间的高速数据处理和传输来卸载CUP的任务，使系统性能大幅提高。以上优点使MC9S12XDT512成为电液比例控制系统控制器的首选。3.3PWM驱动器PWM驱动器是驱动电液比例阀的重要部件，为保障其可靠工作，又具备完善的保护措施，在设计中采用一种专用的PWM功率放大模块BTS707。该模块不仅具有两路PWM输出来驱动两个三位四通比例阀，而且具有完善的保护功能和断路检测功能，可以及时发现电磁阀线圈故障，以便及时采取紧急处理措施。图4给出的是一路PWM驱动电路。取样电阻引回的反馈信号用于构成串联反馈回路，以稳定通过电磁阀线圈的电流，避免线圈温度变化造成的驱动电流波动。图5为电流反馈回路电路。3.4CAN总线接口CAN（controllerareanetwork）即控制器局域网[4]，是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制和数据交换问题开发出的一种现场总线通信结构，其最高速率可达1Mb/s（40m内）以多主方式工作，与一般的通信总线相比，CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，是目前使用最广泛的一种汽车网络。图4PWM驱动电路图图5电流反馈回路电路图本系统采用的MC9S12XDT512单片机上集成了MSCAN（MotorolaScaleableCAN）模块代替CAN协议控制芯片，它支持CAN2.0A/B协议，集成了除收发器外CAN总线控制器的所有功能。除此之外他还采用先进的缓冲器布置改善了实时性能，简化了应用软件的设计。这样设计不仅降低了设计成本，同时由于使用器件的减少而使整个系统的工作稳定性都得到提高。单片机上MSCAN模块的TXD与RXD引脚的输出/输入信号通过光耦6N137经过信号隔离后与CAN收发器的TX与RX引脚相连。6N137为高速光耦，能够满足高传输速率下对于信号延时响应的高要求。基于系统电磁兼容性（EMC.electromagnetcompatibility）的考虑，本设计采用PCA82C250作为CAN收发器。82C250具有很好的EMC性能，非常适合应用于汽车电子环境。82C250芯片提供对CAN总线的差动发送能力和对CAN总线的差动接受能力。其引脚8允许选择3种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机。斜率控制是最常用的方式，其斜率正比于引脚8上的电流输出，本设计正是采用的这种工作方式。考虑到系统的抗干扰性，实现彻底的隔离，隔离电路部分使用单独的电源。为防止总线上的电压波动干扰单片机的正常工作，CAN通信模块的电源与地通过DC/DC和单片机的电源与地隔离。硬件接口电路连接图见图6。图6CAN总线接口电路3.5串行SCI模块SCI（serialcommunicationinterface）是单片机和上位机之间的数据通讯接口。数据传输协议采用标准的RS-232协议。由于单片机的TTL逻辑电平和RS-232的电器特性完全不同，所以采用MAX3232电平转换芯片进行转换，从而实现单片机通过SCI与上位机进行通讯。SCI功能使上位机与下位机通讯变的简单，能够使上位机实时知道下位机所用的数据，比如电动机电流、电动机PWM等，这些数据传到上位机后，可以存为文件，可以实时显示动态曲线等。3.6后台调试模式BDM（backgrounddebugmode）是为单片机进行实时、无干扰的电路内仿真而设计的。其后台调试模式采用单引脚接口，主机通过单根输入/输出复用引脚BKGD与单片机通信，向单片机下载编译好的程序，并进行在线调试与仿真。后台调试模式使设计者不必再使用传统仿真器，解决了传统仿真器电压、速度、电容和机械接口方面的普遍问题，能满足随车在线调试及测试的要求。BDM接口所需的+5V工作电压和地直接通过引脚由板上取用。BKGD与单片机的BKGD引脚相连，计算机通过RST引脚向单片机产生复位信号，一般应用中，RST引脚通过上拉电阻拉高，防止其不断产生低电平有效的复位信号引起单片机频繁复位。实际测试时由软件控制RST引脚输出低电平，产生复位信号。图7为BDM接口电路。图7BDM接口电路4控制器软件设计本系统软件设计采用Metrowerks公司的CodeWarrior作为开发平台。CodeWarrior是专门面向Freescale所有MCU和DSP嵌入式应用开发的软件工具，支持汇编、C、C++源程序，周期准确、实时代码转换仿真、集成分析，具有直观、编译效率高等特点。振动压路机控制系统的功能繁多，逻辑关系复杂。包括了振动控制、行走控制、转向控制、压实参数控制、故障诊断等多个子系统。整个控制器部分由以上几个控制子系统按照一定的逻辑关系组成。例如其中振动子系统包括振动系统工作模式控制、调频控制、调幅控制；调频控制包括振动轮选择和调频控制两项功能。调频、调幅控制模块内嵌在模式选择控制模块中，这三个模块共同组成了调频调幅控制模块。在主程序中，如果有紧急停车开关输入时，屏蔽振动泵变量阀电磁铁信号、屏蔽行走泵变量阀电磁铁信号同时令行驶卸荷阀失电，这样就停止了振动和行走模块的一切动作。如果没有紧急停车信号输入，行驶模块中制动电磁阀通电制动，这时行驶系统压力开始上升，当压力达到启动压力时，制动电磁阀掉电停止制动，卸荷阀停止卸荷，控制系统进入振动控制模块和行走模块。主程序流程图见图8。图8主程序流程图5结论本文详细介绍了一种基于Freescale单片机的电液比例控制系统的软硬件设计方案。系统采用的单片机MC9S12XDT512功能强大，在提供高性能的同时，使系统小型化，功能高集成化，并且可方便的对各种外设进行扩展。系统具有精度高，可靠性好、运行稳定、抗干扰能力强等特点，可广泛应用于工程机械领域。参考文献1范小彬，马伟,杜发荣等.连续压实控制技术及压实度计在振动压路机上的应用[J].筑路机械与施工机械化,2003,20(5):39-412赵刚.多功能路面清雪车电液比例阀控系统的模糊PID控制[D].吉林大学,20053驱动芯片LMD18200中文用户指南[DB]4饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003