振動壓路機(jī)電液比例控制系統(tǒng)

1、振動壓路機(jī)電液比例控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計蒼松北京航空航天大學(xué)摘要：提出了一種可應(yīng)用于振動壓路機(jī)的電液比例控制系統(tǒng)的原理、實現(xiàn)方法及軟硬件構(gòu)成等。該系統(tǒng)基于高性能的16位單片機(jī)MC9S12XDT512而設(shè)計，集成了行走操縱、振動控制、故障檢測以及通信功能等。關(guān)鍵詞：振動壓路機(jī) 電液比例控制 MC9S12XDT512 PWMResearch and Design of Electro-hydraulic Proportional Control System for Vibratory RollerCang SongAbstract: This paper has put forward a new

2、 electro-hydraulic proportional control system for vibratory roller, and has introduced the principle，the realization as well as the hardware circuit of the system. The control system design is based on high performance 16-bit microcontroller, integrated with tread control，vibration control，fault di

3、agnosis and communication functions.Keywords: vibratory roller electronic-hydraulic proportion control MC9S12XDT512 PWM1 引言在現(xiàn)代工程機(jī)械中，電液比例控制系統(tǒng)具有高控制精度、高安全性、高可靠性等多方面優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用越來越廣泛。本文采用Freescale公司的16位單片MC9S12XDT512作為控制器。采用單片機(jī)作為控制器的電液比例控制系統(tǒng)開發(fā)成本低，運(yùn)算能力強(qiáng)，能在短時間內(nèi)完成大量工作量，而且具有很強(qiáng)的邏輯判斷功能，可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制。利用振動壓路機(jī)機(jī)械壓實是在修建公

4、路、運(yùn)輸?shù)缆贰⑼潦焦こ?、堤壩和建筑物基礎(chǔ)、橋梁、表面密封層和垃圾添埋場中不可缺少的施工工藝1。因此，壓路機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化對改善壓路機(jī)質(zhì)量，提高壓實度和壓實效率有著重要的作用。電液比例控制系統(tǒng)是振動壓路機(jī)關(guān)鍵的控制系統(tǒng)，液壓技術(shù)在壓路機(jī)中的應(yīng)用，不僅使傳動系統(tǒng)大大簡化、操作簡便、省力，而且液壓傳動使行走機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了無級變速，使振動系統(tǒng)能夠根據(jù)施工要求在較大范圍內(nèi)調(diào)頻調(diào)幅。同時液壓技術(shù)的應(yīng)用也為機(jī)械的自動檢測和控制提供了條件。電液比例控制系統(tǒng)性能的好壞直接決定了振動壓路機(jī)的整體性能的憂劣，所以，研究和設(shè)計一款適用于振動壓路機(jī)的性能優(yōu)越的電液比例控制系統(tǒng)具有直接的工程應(yīng)用價值。2 電液比例控制系統(tǒng)原

5、理在液壓傳動與控制中，能夠接受模擬式或數(shù)字式信號，使輸出的流量或壓力連續(xù)成比例的受到控制，都可以被稱為電液比例控制系統(tǒng)2。組成電液比例控制系統(tǒng)的基本元件有控制手柄、控制器、脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動電路、比例電磁鐵、電液比例閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分。電液比例閥采用PWM調(diào)節(jié)方式進(jìn)行控制，通過改變PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)流過比例電磁鐵線圈的平均電流，以降低摩擦、減少電磁鐵的滯環(huán)和死區(qū)現(xiàn)象，提高電液比例閥的響應(yīng)速度。系統(tǒng)采用電流閉環(huán)以提高性能和控制精度。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 控制器硬件設(shè)計該系統(tǒng)主要由電源單元、數(shù)字輸入輸出、鍵盤輸入、模擬信號處理、單片機(jī)、PWM驅(qū)動電路、RS232接口

6、、CAN總線接口、顯示接口等部分組成。其配置框圖如圖2所示。圖2 電液比例控制系統(tǒng)硬件電路框圖3.1 電源單元系統(tǒng)采用24 V電瓶供電，電源單元將24 V電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的穩(wěn)定電壓，同時還要完成電源反接保護(hù)、電源濾波、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能。考慮到系統(tǒng)所需的±12 V和±5 V電源的電流要求以及各個電源的啟動順序，電源單元選用轉(zhuǎn)換效率高的開關(guān)型穩(wěn)壓模塊進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)高輸入電壓下的低功耗穩(wěn)壓輸出，同時設(shè)計相應(yīng)的濾波器，為系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的直流電源。電源單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 電源單元結(jié)構(gòu)圖3.2 MC9S12XDT512簡介MC9S12XDT512微控制器是FREESC

7、ALE公司生產(chǎn)的S12系列中功能較強(qiáng)的一款16位控制器。帶有512 k高速FLASH存儲器和32 k靜態(tài)RAM，足以滿足系統(tǒng)要求。MC9S12XDT512包含一個16路10位ADC和一個8路10位ADC、CAN總線模塊、多路定時器、8路PWM輸出，特有XGATE（外圍協(xié)處理器）模塊，能提供外圍模塊、RAM和I/O端口之間的高速數(shù)據(jù)處理和傳輸來卸載CUP的任務(wù)，使系統(tǒng)性能大幅提高。以上優(yōu)點(diǎn)使MC9S12XDT512成為電液比例控制系統(tǒng)控制器的首選。3.3 PWM驅(qū)動器PWM驅(qū)動器是驅(qū)動電液比例閥的重要部件，為保障其可靠工作，又具備完善的保護(hù)措施，在設(shè)計中采用一種專用的PWM功率放大模塊BTS70

8、7。該模塊不僅具有兩路PWM輸出來驅(qū)動兩個三位四通比例閥，而且具有完善的保護(hù)功能和斷路檢測功能，可以及時發(fā)現(xiàn)電磁閥線圈故障，以便及時采取緊急處理措施。圖4給出的是一路PWM驅(qū)動電路。取樣電阻引回的反饋信號用于構(gòu)成串聯(lián)反饋回路，以穩(wěn)定通過電磁閥線圈的電流，避免線圈溫度變化造成的驅(qū)動電流波動。圖5為電流反饋回路電路。3.4 CAN總線接口 CAN（controller area network）即控制器局域網(wǎng)4，是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題開發(fā)出的一種現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)，其最高速率可達(dá)1Mb/s（40 m內(nèi)）以多主方式工作，與一般的通信總線相比，CAN總線數(shù)據(jù)通信具有

9、突出的可靠性、實時性和靈活性，是目前使用最廣泛的一種汽車網(wǎng)絡(luò)。 圖4 PWM驅(qū)動電路圖圖5電流反饋回路電路圖 本系統(tǒng)采用的MC9S12XDT512單片機(jī)上集成了MSCAN（Motorola Scaleable CAN）模塊代替CAN協(xié)議控制芯片，它支持CAN2.0A/B協(xié)議，集成了除收發(fā)器外CAN總線控制器的所有功能。除此之外他還采用先進(jìn)的緩沖器布置改善了實時性能，簡化了應(yīng)用軟件的設(shè)計。這樣設(shè)計不僅降低了設(shè)計成本，同時由于使用器件的減少而使整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性都得到提高。單片機(jī)上MSCAN模塊的TXD與RXD引腳的輸出/輸入信號通過光耦6N137經(jīng)過信號隔離后與CAN收發(fā)器的TX與RX引腳相連

10、。6N137為高速光耦，能夠滿足高傳輸速率下對于信號延時響應(yīng)的高要求。基于系統(tǒng)電磁兼容性（EMC. electro magnet compatibility）的考慮，本設(shè)計采用PCA82C250作為CAN收發(fā)器。82C250具有很好的EMC性能，非常適合應(yīng)用于汽車電子環(huán)境。82C250芯片提供對CAN總線的差動發(fā)送能力和對CAN總線的差動接受能力。其引腳8允許選擇3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)。斜率控制是最常用的方式，其斜率正比于引腳8上的電流輸出，本設(shè)計正是采用的這種工作方式?？紤]到系統(tǒng)的抗干擾性，實現(xiàn)徹底的隔離，隔離電路部分使用單獨(dú)的電源。為防止總線上的電壓波動干擾單片機(jī)的正常工

11、作，CAN通信模塊的電源與地通過DC/DC和單片機(jī)的電源與地隔離。硬件接口電路連接圖見圖6。圖6 CAN總線接口電路3.5 串行SCI模塊 SCI（serial communication interface）是單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊接口。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232協(xié)議。由于單片機(jī)的TTL邏輯電平和RS-232的電器特性完全不同，所以采用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)單片機(jī)通過SCI與上位機(jī)進(jìn)行通訊。SCI功能使上位機(jī)與下位機(jī)通訊變的簡單，能夠使上位機(jī)實時知道下位機(jī)所用的數(shù)據(jù)，比如電動機(jī)電流、電動機(jī)PWM等，這些數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)后，可以存為文件，可以實時顯示動態(tài)曲線等

12、。3.6 后臺調(diào)試模式BDM（background debug mode）是為單片機(jī)進(jìn)行實時、無干擾的電路內(nèi)仿真而設(shè)計的。其后臺調(diào)試模式采用單引腳接口，主機(jī)通過單根輸入/輸出復(fù)用引腳BKGD與單片機(jī)通信，向單片機(jī)下載編譯好的程序，并進(jìn)行在線調(diào)試與仿真。后臺調(diào)試模式使設(shè)計者不必再使用傳統(tǒng)仿真器，解決了傳統(tǒng)仿真器電壓、速度、電容和機(jī)械接口方面的普遍問題，能滿足隨車在線調(diào)試及測試的要求。BDM接口所需的+5 V工作電壓和地直接通過引腳由板上取用。BKGD與單片機(jī)的BKGD引腳相連，計算機(jī)通過RST引腳向單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號，一般應(yīng)用中，RST引腳通過上拉電阻拉高，防止其不斷產(chǎn)生低電平有效的復(fù)位信號引起

13、單片機(jī)頻繁復(fù)位。實際測試時由軟件控制RST引腳輸出低電平，產(chǎn)生復(fù)位信號。圖7為BDM接口電路。圖7 BDM接口電路4 控制器軟件設(shè)計 本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用Metrowerks公司的CodeWarrior作為開發(fā)平臺。CodeWarrior是專門面向Freescale所有MCU和DSP嵌入式應(yīng)用開發(fā)的軟件工具，支持匯編、C、C+源程序，周期準(zhǔn)確、實時代碼轉(zhuǎn)換仿真、集成分析，具有直觀、編譯效率高等特點(diǎn)。 振動壓路機(jī)控制系統(tǒng)的功能繁多，邏輯關(guān)系復(fù)雜。包括了振動控制、行走控制、轉(zhuǎn)向控制、壓實參數(shù)控制、故障診斷等多個子系統(tǒng)。整個控制器部分由以上幾個控制子系統(tǒng)按照一定的邏輯關(guān)系組成。例如其中振動子系統(tǒng)包括振

14、動系統(tǒng)工作模式控制、調(diào)頻控制、調(diào)幅控制；調(diào)頻控制包括振動輪選擇和調(diào)頻控制兩項功能。調(diào)頻、調(diào)幅控制模塊內(nèi)嵌在模式選擇控制模塊中，這三個模塊共同組成了調(diào)頻調(diào)幅控制模塊。 在主程序中，如果有緊急停車開關(guān)輸入時，屏蔽振動泵變量閥電磁鐵信號、屏蔽行走泵變量閥電磁鐵信號同時令行駛卸荷閥失電，這樣就停止了振動和行走模塊的一切動作。如果沒有緊急停車信號輸入，行駛模塊中制動電磁閥通電制動，這時行駛系統(tǒng)壓力開始上升，當(dāng)壓力達(dá)到啟動壓力時，制動電磁閥掉電停止制動，卸荷閥停止卸荷，控制系統(tǒng)進(jìn)入振動控制模塊和行走模塊。主程序流程圖見圖8。圖8 主程序流程圖5 結(jié)論 本文詳細(xì)介紹了一種基于Freescale單片機(jī)的電液比例控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案。系統(tǒng)采用的單片機(jī)MC9S12XDT512功能強(qiáng)大，在提供高性能的同時，使系統(tǒng)小型化，功能高集成化，并且可方便的對各種外設(shè)進(jìn)行擴(kuò)