搜索
1摘要：随着微电子技术、智能技术、传感与检测技术等的快速发展以及向工程机械领域的不断渗透，现代工程机械正处于机电液一体化的崭新的发展时代。其中，电液比例控制系统具有控制精度高、安装使用灵活以及抗污染能力强等多方面优点，其应用领域日益拓宽。本文采用C8051F040微控制器为核心设计与开发的电压比例控制器，相对于传统的单片机所构成的电液比例控制系统，具有更高的稳定性、可靠性和实时响应能力。因此，其更能适应我国工程机械领域的应用环境。本文首先阐述了电液比例控制系统的发展历史，特点，以及分类情况。其次，介绍了整个控制系统的功能，并详细介绍了以C8051F040微控制器为核心的系统的硬件结构。接着，详细阐述了控制器与电液比例阀的接口电路，即由电机驱动芯片LMD18200构成的驱动电路的原理与设计。最后，本文讨论了整个系统软件部分的设计情况。关键词：电液比例控制，C8051F,LMD18200,PIDBasedonSCMelectrohydraulicproportionalcontrolsystemdesignStudent:LiuXinTutor:CaiPeizhong(OrientalScience&TechnologyCollegeofHunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)Abstract:Withtherapiddevelopmentofmicro-electronics,intellectualtechnology,sensinganddetectiontechnologyandthecontinuouspenetrationofthemintothefieldofengineeringmechanisms,modernengineeringmechanismisinanewageoftheintegrationofmechanism,electricsandhydraulicpressure.Electro-hydraulicproportionalcontrolsystemhasalotofadvantages，suchasthehighcontrolaccuracy,theflexibleinstallationanduse,thestrongresistanceoncontaminationandsoon,sothattheapplicationofelectro-hydraulicproportionalcontrolsystemhasincreasinglybroadened.TheElectro-HydraulicproportionalcontrolsystemthatbasedonC8051F040controllerinthispaperhashigherstabilityanddependabilityandreal-timeresponsivecapacity,comparedtothatbasedontraditionalsinglechips.Therefore,itcanadapttotheapplicationenvironmentofthemodernengineeringmechanismbetterthanothercontrolsystemsinourcountry.Firstly,itisdescribedthedevelopmenthistory,basic2principleandtheclassificationoftheElectro-hydraulicproportionalcontrolsysteminthispaper.Secondly,thispaperintroducesthefunctionofthewholecontrolsystemandthebasichardwarestructurewhichisbasedontheC8051F040controllerindetail.Then,thispaperelaboratestheprincipleandthedesignprocessofthedriveroftheelectro-hydraulicproportionalcontrolsystemwhichisconsistedofthemotor-drivenchipLMD18200.Atthelastofthispaper,itdiscussesthedesignoftheprogramofthewholeelectro-Hydraulicproportionalcontrolsystem.KeyWords:Electro-hydraulicproportionalcontrol,C8051F,LMD18200,PID31前言1.1课题背景及目的现代微电子技术的发展，特别是计算机技术的普及和发展，为实现各类工艺过程的最佳控制提供了技术基础。因此，工程控制的应用已逐步从航天，航空和军事领域普及到民用工业部门。工程机械是为国民经济建设和社会发展提供各类机械装备和生产制造技术以创造财富和提高社会文明水准的重要工程领域，是与人类社会活动关系十分密切，应用非常广泛的工程领域。改革开放20多年来，国民经济突飞猛进，国家基础建设蓬勃发展，带动着国内工程机械的需求，推动着工程机械的发展。近十年来随着技术的引进、消化、吸收，国内工程机械有了长足的进步，产品质量、可靠性、外观都有较大幅度的提高，但同国外工程机械比较来看，还存在较大差距。虽然工程机械在我国起步较早，但由于众多方面的原因，国产水平一直止步不前。作为在工程机械领域中中广泛用到的电液比例阀及其控制器，我国大都采用的是进口设备，这就带来了工程机械成本高昂以及不太适用国内施工条件的技术问题。国内目前有部分院校已经开展了这方面的研究，例如浙江大学的流控所在流体控制方面的技术研究一直处于世界先进水平，吉林工业大学在实践方面也做出了一些成果，他们开发出了用于装载机的计算机电液比例控制模块。本课题中，如果我们能将嵌入式电液比例控制系统成功地运用到工程机械这一领域，不但是一项技术创新，而且可以在使用国产的各种比例阀和传感器的基础上，提高控制系统的可靠性与灵敏快速性。这样就可以减少工程设备的硬件投资与设备的管理维护费用，使其成本比同类国际产品低，可靠性比国内同类产品高，更适合我国工程机械领域的现状，从而为工程机械的机电液一体化开辟了广阔前景[1]。1.2国内外电液控制研究状况对于电液比例控制技术，国内不仅已开展相关的研究而且已经达到广泛的实际应用，但目前国内的制造和技术水平还落后于国际水平。我国的电液控制技术起步较晚，始于上世纪六十年代，到七十年代中期才开始发展。国内自主开发的计算机电液比例控制与监控系统由于技术不成熟，在工程机械上的开发应用才刚刚起步。在相关技术方面，厂家要么采用的是机械、液压控制，要么全套引自国外厂家的产品，整体的技术水平以及创新能力还不是很强。总的来看，我国电液4比例控制技术与国际水平相比还存在较大的差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，存在各类比例泵、比例阀等，国内设计生产的品种比较少，并缺乏足够的工业性试验研究；在控制技术方面，自动化程度不高，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。电液比例控制技术在欧美发达国家已经非常先进成熟，并在各类工程机械领域中得到了广泛的应用，至今已形成了完整的产品品种、规格系列。欧美发达国家生产工程机械的主要国家如德国、美国、英国、法国、意大利及亚洲的日本等，由于其本身技术的先进性，早已开展计算机控制与智能监控技术在工程机械领域中的应用研究。国际一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司、德国的力士乐和博世公司等居世界领先地位。德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了比例阀、可编程序控制器和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善，成本显著降低，迅速占领了欧美各种拖拉机的应用市场。在国外工程机械计算机控制与智能监控系统方面，以德国利渤海尔公司的LICON机电一体控制系统和O&K公司的起重机控制系统(BCS)为代表。该系统的应用，使得工程机械从传统的第一、第二代的机、液控制，成为计算机电液控制的和自我故障诊断的智能系统，走向机、电、液一体化。此外，日本日立公司的Dr.EX故障诊断系统，采用的是插入机上手持式终端形式，也可认为是机载控制系统的另一种发展方向[1]。1.3控制器概述本系统采用的是美国Silabs公司的C8051F040单片机作为控制器对系统进行控制，它是属于C8051F系列单片机的一种。C8051F系列单片机除具有一般单片机的共同特点之外，它与80C51系列单片机的主要相同点是其内核与8051基本相同，指令系统完全一样。C8051F系列单片机采用了流水线结构，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，处理能力大大增强。在相同时钟下，指令运行速度比一般的8051系列单片机提高了大约10倍。在这种控制器中，其I/O接口的特殊功能可以由软件配置实现，这样极大的提高了端口配置的灵活性。在这种单片机中，采用了一个更加完善和先进的时钟系统，可以采用多种时钟源。可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。如果5有需要，在程序运行时，可以实现时钟的内外部切换。在C8051F中，还提供了片内JTAG接口和调试电路，使8位单片机传统的仿真调试产生质的变化，可以对最终的应用系统进行非侵入式、实时在系统调试仿真。另外，该种单片机提供了多种复位方式，总共有多达7个复位源：1个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、1个时钟失效检测器、1个由比较器0提供的电压检测器、1个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。这样，提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。由于单片机采用了多种低功耗技术，例如采用3V供电，并且可以关闭片上外设，因而使系统的平均功耗大大降低。1.4设计过程本文针对工程机械中经常用到的汽车起重机，在全面，有层次地分析其整体功能的基础上，设计出以C8051F040微控制器为核心的电液比例控制器，并选择合适的元器件，设计出外围设备硬件电路，以求满足汽车起重机的基本功能需求，然后利用Protel完成系统原理图和电路板的设计。最后，利用C语言设计出整个电液比例控制系统的软件部分。1.5本文的组成本文主要分为五章：第一章介绍本设计的背景，目的以及国内外的研究状况；第二章对电液比例控制技术的发展历史，特点，分类，以及未来的发展趋势进行了简要的介绍；第三章首先介绍了控制器C8051F040，接着对系统硬件结构各个模块进行了比较详细的介绍；第四章介绍了电液比例控制驱动阀的电路设计，重点介绍了电机驱动芯片LMD18200；第五章详细介绍了系统的软件设计。2电液比例控制技术2.1概述电液比例控制技术是一门比较年轻的技术,它的发展和普遍应用还不到50年,然而,凭借它的优点却形成了流体传动与控制领域的一个重要分支,并作为连结现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁,已经成为现代控制工程的基本技术之一。6电液比例控制系统由电子放大及调节单元、电液比例控制单元（含机械转换器在内的比例阀、电液比例变量泵及变量马达）、动力执行单元及动力源、工程负载及信号检测反馈处理单元所组成。电液比例控制常用于开环系统，其控制方框图如图1所示。控制器(计算机)给出的信号通常是电压信号，经电控器处理放大后向电液比例阀的比例电磁铁(力马达)输送直流电流I，电磁铁将I按比例转换成电磁力Fp,Fp通过弹性元件作用在控制阀的阀芯上，使之产生相应的位移，从而控制液流的流量、压力和方向，通过执行元件(液压缸或液压马达)使负载(如铲刀)获得随信号的大小和性质变化而连续地成比例变化的力F(扭矩)、速度V(角速度)或位移。开环控制的精度较低且没有跟踪功能。如果系统要求精度较高，可对开环系统的输出量检测并反馈到控制器，使之与指令信号进行比较，得到差值Δ