| 摘 要：介紹了一種專門為旋挖鉆機的垂直起豎和井深測量而設計的控制系統的原理、實現方法和軟硬件構成等。該系統基于高性能八位微處理器Mega128而設計,集成了垂直度檢測、井深測量、垂直度控制和操作指示等功能。 |
| 關鍵詞：旋挖鉆機 電液比例控制 Mega128 PID PWM |
旋挖鉆機是一種用于建筑基礎工程中成孔作業的施工機械。它是以履帶為支承的回轉斗式旋挖鉆孔機械,其工作裝置由動力頭、伸縮鉆桿、加壓裝置和液壓系統等組成。 旋挖鉆機的控制屬于一般工業自動化應用領域,它要求一種廉價、節能、維護方便、適用于大功率控制及具有一定控制精度的控制技術,所以采用電液比例控制。它能夠接受模擬信號和數字信號,使輸出的流量或壓力連續成比例地受到控制。電液比例控制系統[1]有數字控制系統、脈寬調節(PWM)控制系統等。 旋挖鉆機鉆桅的垂直度直接影響到所鉆孔的質量,對于提高工程機械作業效率有著很重要的意義,保證其在要求的范圍內是控制系統應完成的主要任務。所以旋挖鉆機的控制方案為:根據操作員的指令,利用電液比例控制系統控制液壓缸運動,實現鉆具安全平穩起豎,進而保證旋挖鉆機鉆桅的垂直度在要求范圍內。同時,精確的井深測量也能極大提高工作效率。所以,它也是控制系統應完成的任務。 目前,國內外旋挖鉆控制系統的特點是其控制器的所有控制規律處理、輸入/輸出信號波形處理和功率放大等都由模擬電路進行,因此迫切需要改進。而旋挖鉆機控制的數字化正是目前提高旋挖鉆機工作性能的必然要求和發展趨勢。 1 計算機控制系統方案 控制系統方案如圖1所示。系統監測傾角傳感器信號、比例閥反饋信號、液壓缸位置傳感器信號和操縱桿發來的指令,根據控制算法產生控制數據,控制數據經過轉換算法產生控制量(PWM信號),并通過驅動電路控制電液比例閥,采用反饋控制技術實現兩個液壓通道的精確同步控制,克服了鉆具起豎過程中由于兩個比例方向閥參數不一致而造成的歪斜。 旋挖鉆機的正常工作還需要許多輔助系統,在本控制系統中包含有井深測量控制系統、故障檢測系統和保護控制系統。為滿足不同旋挖鉆機的控制需要,本系統還具有控制參數設置和旋挖鉆機工作過程參數顯示等功能。  圖1旋挖鉆機控制系統結構圖 2 主要技術指標 ·垂直度(圓周)誤差<0.2°,也就是在兩個正交軸上,傾角誤差的平方和的平方根小于0.2°;井深測量誤差可控制在小于10cm的范圍內。 ·提供穩定的±5V和±10V電壓接口,以滿足操縱桿和傳感器的用電要求。 ·提供八路開關量輸出信號,用于系統保護、告警和狀態指示。 ·可控制兩個三位四通比例換向閥,驅動電流大于2A。 ·提供RS232接口,用于系統參數設定、故障檢測,并提供CAN總線接口,用于系統組網。 3 系統硬件配置 該控制系統主要由電源、傳感器供電電源、模擬信號處理、單片機、RS232接口、CAN總線接口、PWM功率放大、數字輸入輸出、計數輸入、液晶顯示器接口、數字鍵盤接口等部分組成,其配置框圖如圖2所示。 3．1 電源部分 電源部分結構圖如圖3所示,包括濾波、電源反接保護、過壓狀態輸出、欠壓狀態輸出、+5V穩壓輸出、±12V穩壓輸出、速熔保險等電路。應選用開關型穩壓模塊,以實現高輸入電壓下的低功耗穩壓輸出。本系統使用LM2575HVT-5.0和LM2575HVT-12.0電源模塊。電壓的輸出要有順序,首先輸出+5V電壓,然后在系統控制下輸出±12V電壓。 電源反接保護電路使用整流電橋。PWM功率放大器的電源要經過濾波器、速熔保險和電源反接保護電路。過壓和欠壓狀態輸出使用比較器實現,考慮了暫態問題。  圖2 系統配置框圖  圖3 電源部分結構圖 3．2 傳感器供電電源 傳感器的供電由以下幾部分組成:傾角傳感器直接使用電源供給的+12V穩壓直流電;霍耳傳感器直接使用+5V電源提供的穩壓直流電;操縱桿和液壓缸位置傳感器使用的是高穩定度的±5V和±10V電源。因此,傳感器供電電源主要為由基準電源和運算放大器組成的高穩定度的±5V和±10V電源。本系統中的運算放大器選用低噪聲、高精度的TS524I運算放大器。 3．3 模擬信號處理部分 模擬信號經本電路處理后,送入單片機的A/D轉換器和數字輸入端。為提高單片機系統端口的使用效率,本系統采用模擬開關(CD4053B)對比例方向閥反饋信號和單片機PWM輸出信號進行切換,以減少A/D轉換器輸入端口和PWM輸出端口的開銷。其主要組成框圖如圖4所示。 3．4 PWM功率放大器 PWM功率放大器是驅動電液比例方向閥的重要部件,為保障其可靠工作,又具備完善的保護措施,在設計中采用一種專用的PWM功率放大模塊BTS707。該模塊不僅具有兩路PWM輸出來驅動兩個三位四通比例換向閥,而且具有完善的保護功能和斷路檢測功能,可以及時發現電磁閥線圈故障,以便及時采取緊急處理措施。取樣電阻引回的反饋信號用于構成串聯負反饋回路,以穩定通過電磁閥線圈的電流,避免線圈溫度變化造成的驅動電流波動。 3．5 CAN總線接口 目前集成有CAN總線接口的單片機很多,一般均集成有1～4個CAN控制器,但這些芯片成本太高,本系統采用獨立的CAN控制器SJA1000并配合PCA82C250實現CAN2.0接口功能,其電路原理圖見圖5。考慮到抗干擾能力的需要,圖中的VB5是由+5V隔離電源提供的。 |
