基于单片机的液体粘性调速离合器的硬件控制系统.doc

控制系统图圈圈圈一基于单片机的液体粘性调速离合器的硬件控制系统 姻 陈忠，摘要：拳文阐速了采用单片机与门阵列技术设计液体粘性调速离合器的调速控制器。谊拉制器可以实现模拟或脉冲信号接入经控制算法修正输出到控制执行机构实现控制。同时还留有通讯接口用作与上住机通讯实现从属控制。关键词：离台器；控制器；单片机中圈分类号：文献标识码：文章编号：憾（）： ， 击 ， “； 引言液体粘性调速离舍器，办称奥米伽离合器，它利用液体粘性和油膜剪切作用实现转矩的传递，并通过改变摩擦副之间的距离实现无级调速功能。广泛地应用于需要无级调速的各种场合，如在重载的工况下，实行”软启动”，即可控制地运步克服整个系统的惯性而平稳地启动以达到能够大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲击延长关键零部件的使用寿命，同时还能太大缩短电动机肩动电流的冲击时间，减小对电动机的热冲击负荷及对屯网的影响从而节约电能并延长电动机的工作寿命。实现调速控制的核心部件是控制器，控制器性能的改进与完善对提高设各的性能起着覃关重要的作用。我国从年代开始研发该类设备。北京理工大学采用电子技术完成了电子式转速反馈的闭环控制系统。煤炭总院太原分院采用工业微机控制与总线技术来实现液体粘性调速离合器的调速。与其不同，奉文采用单片机与阵列技术，不但能对离合器实现调速控制还能与上位机通讯完成协调控制，具有体积小，功能多等特点。总体结构控制器硬件由三大部分组成：控制电路、接口电路和电源电路（图一）。控制电路采用位 单片机与现场可编程门阵列门阵列组成处理中心主要实现数据的转换、采样和控制运算功能还包括模数转换、液晶显示控制、键盘扫描、串行通讯、双位加减计数、合成、位输出信号锁存电路后三项功能均由复杂可编程逻辑器件电路实现。接口电路主要实现非电量和数字信号的隔离控制，包括温度，电压转换电路、模拟信号扩展模块接口、的频压转换电路。电源电路相对较为简单主要提供控制电路所需的控制电源，力一些必要的电源抗下扰电路。万方数据图控制器硬件总体结构控制硬件设计、单片机是一献基于 的低功耗的位单片机执行一条指令仅需一个时钟周期内。具有的性能、字节、字节、字节、个通用口、个通用工作寄存器、具有比较模式的灵活定时器，计数器、内外中断源、可编程的、可编程的看门狗定时器、口以及三种可通过软件选择的节电模式。、模数转换电路（转换）为了保证温度监测、或其他外部检测的精度要求，本控制硬件采用来实现模数转换功能。该电路具有个模拟输入通道位的模数转换精度采用串行接口，可以方便地与多种控制芯片通讯，其结构确保了它的低功耗，而且电源电压范围较宽适合不同的电源电压要求。由于采用串行接口其与的连接相当简单，共有四根连线：片选信号、串行时钟、数据输入和数据输出。信号由输出端口一译码形成，由主机发出主机的输出数据至，送至控制寄存器选中下次数据采样转换通道和工作模式，与此同时亦将前次选中通道的转换结果（位数据）分两次通过传送至主机的。每次数据传输均会引发一次中断，数据的处理以及转换的控制均可在中断程序中完成（图二）。液晶显示控制电路基于成本及方便性考虑该控制器选用：的点阵式液晶显示模块。在运行过程中，用于显示各种监测参数、程序运行情况、以及报警发生时所对应的报警内容；在参数、程序输入时，可以显示按键输入值、输入位置以及对应的输入内容或对象；在调试时还可监视输入、输出端口的状态。与液晶显示模块采，、 中国自控网：哪吲薯直控胃邮局订闽号： 元年，用并行接口除位数据总线外，还包括片选信号、寄存器选择信垮酗，审霉足对模￥瞎行舄操作，嘶呲将模块的读孑控制信号强制为低。信号芬由输出端口叼译码形成，信号直接由控制（圈三）。圉与单片机的联接图液晶显示控制电路、键盘扫描电路本系统按键共有个包括数字键、功能键和菜单选择键。为了节约的接口资源，由行列组成矩阵，采用扫描方式判断按键的位置。行由的构成，列即为的数据总线）。可先由定时输出全低（全）读取一的值判断有否按键输入，若有则转入按键削断子程序通过扫描读取键值。在实际使用过程中，用户有能需要了解在控制过程中的一些状态并根据状态的不同来控制外部设各的运行或停止。因此。在硬件结构设计中预留了个输山信号，其中八个作为通用的输卅由光藕隔离输出，另外二个作为号用的控制信号甩于以厉的功能扩展。这位输出信号由通过数据总线送出并锁存锁存功能由完成。显示控制由另外两位数据总线控制，亦由锁存输出，主要用十显示系统挥序的运行状态，即系统就绪（）、系统运行（）、系统故障（）。另外还有。个指示灯用于指示控制电源（）勿需由控制。本系统共有六个片选信号分别为对主动轴编码器脉冲信号的数据读取、对被动轴编码器脉冲信号的数据读取、对鹿脉宦的数字写入、数字量输出口的锁存片选、液晶显示器的片选以及数模转换器的读写片选。这六个片选信号通过译码产生办由完成。结论本拧制硬件设计旨在采用全数字化技术来开发研制液体粘性调速离台器的调速控制硬件，使其既能单机应用，又能成组使用，还能与上位机通讯。在拧制模式上可以适用传统的控制理论也能适用于程序控制，实现控制的智能化。在试验调试过程中取得了令人满意的效果。参考文献魏宸官、赵家象著，液体粘十牛传动技术，北京，国防业出版社曾孟雄、陈冬，、禹中文，基单片机一电液比例阀的工作装置控制系统，矿山机械， ， 。、串行通讯接口电路本系统采用了专用串行口接口芯片。该芯通过制即能实现与其它单片机系统的通讯。李大友微机原理与应用，中央广播电视大学徐君毅单片微型计算机原理与应用，海科学技术出版社作者简介：陈忠，男高级工程师，主要从事数字拧制硬件设计方面的作。电话：；：”、取位加减计数（）在本系统中需要粟集主动轴和被动轴的转速。为便于与的数字接我们用两个旋转编码器与传动轴及机架相连。当轴旋转时，旋转编码器将相应的旋转量转换成输出脉冲串，这样就将轴的转速转为脉冲频率，实现了两种物理量的转换。为了实现对转速的实时控制，提高系统的整体性能，降低对实时数据采集运算的要求，本系统采用硬件电路对两路脉冲分别进行倍频、鉴相和加减计数，只需在每次定时中断控制程序，通过总线读取数值（位置值）即可，通过简单的除法运（删上海延长踣号信葙阵忠（收稿口期：）接第页）实现了对单节倒立摆的最优控制，应用实例表明了该方法的有效性。该方法也适应于其它类似的控制系统。参考文献易继铠等智能择制技术，北京工业丈学出版社，杨振强等二缴倒立摆的状态合成模糊神经网络控制，控制与决策，算和当量转换即可得到与转动轴对应的转速，这样就火太减少 ：了的工作量降低了在器件选择过程牛对性能指标张明廉等拟人控制二维单倒立摆。控制与决策，赳】册的要求。、合成电路本硬件为一控制单元，需要与伺服单元共同组成一个完整的系统从而对转速进行控制。根据实际的控制对象，控制单元的输出即控制量为一模拟量，且为单极性。传统的脉宽调制，）信号是通过专用前芯片或是中小规模的数字电路来产生的，塌此存在着电路的设计复杂、体积大、抗干扰能力差以及实现困难、设计周期长等缺点。对于许多有着特殊要求的场合由龙雨基于拟人控制的平面运动倒啦摆研究】，北京：北京航空航天大学桂卫华吴敏现代鲁棒控制。中南大学出版社，】薛定宇控制系统计算机辅助设计语言及应用，清华大学，作者筒介：黄月，女，年生，大学本科，副教授。主要从事自动控制方面的研究。： 。 ， 专用芯片根难实现。为了降低成本、简化电路、提高系统整体的抽 可靠性本系统利用来合成，并通过滤波将数字量转换为模拟量，具有设计灵活、集成度高、高可靠性、扰千扰能力强等特点。所谓的合成，就是由硬件来组成数字斜波发生（湘潭湖南科技大学信息与电气工程学院）黄丹周少武昊新开张志飞（ 口， 器和比较器，的运算结果与斜波发生器的值进行比较，比较）结果由一域存器锁存并在每次循环开始阶段被复位，从而输山，一连串的脉冲，其脉冲宽度髓的运算结果而改变。、位输出信号、显示和片选控制电路（收稿日期： ）中国自控舟：！一 电话简单的外围电路通过与的础直接连接，由软件控万方数据元年雌局订阅号：基于单片机的液体粘性调速离合器的硬件控制系统作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：陈忠200072,上海,延长路149号17#信箱微计算机信息(测控仪表自动化)CONTROL & AUTOMATION2004，(2)0次参考文献(4条)1.魏宸官.赵家象 液体粘性传动技术 19962.曾孟雄.陈冬生.禹中文 基于单片机-电液比例阀的工作装置控制系统期刊论文-矿山机械 2000(2)3.李大友 微机原理与应用4.徐君毅 单片微型计算机原理与应用相似文献(10条)1.学位论文 陈忠 液体粘性调速离合器中模糊控制器的硬件研制 2003液体粘性调速离合器,简称液粘调速离合器,亦称奥美伽离合器,它利用液体粘性和油膜剪切作用实现转矩的传递,并通过改变摩擦副之间的距离实现无级调速功能.当不考虑轴承和密封等的摩擦损失时,液体粘性调速离合器输入转矩等于输出转矩,转速可以从异步到同步无级可调.它可广泛应用于需要无级调速的各种场合,如在重载的工况下,实行软启动,即可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动.软启动不仅能够大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲击,延长关键零部件的使用寿命,同时还能大大缩短电动机启动电流的冲击时间,减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响,从而节约电能并延长电动机的工作寿命,特别适用于大功率风机水泵的调速、节能.由于粘性调速离合器有节能,改善启动特性,以及提高设备工作寿命等特点,国内外已有不少学者与企业纷纷研制与开发该类设备,设法提高该产品的科技含量与运行性能,并且取得了很大的进展.本文主要从该设备的控制器出发探索模糊控制实现的可能性,并采用算法软件与实现硬件相结合,完成控制器的设计.控制器的元件由如下几部分组成:核心为一个8位的AVR单片机;164液晶显示模块;38个轻触按键用于参数、程序的监视与输入;8个通用的输入接口控制程序的流向,并可根据程序中条件的设定;8个通用的输出接口输出开关量信号,以实现与其它控制单元简单的通讯功能.控制算法采用模糊控制算法.该控制器采用光电编码器作为速度反馈检测元件,实时监测控制对象的变化;其指令参数可以是由参数设置,亦可由外部条件决定.反馈和指令的输入加上软件的智能运算构成了整套系统的闭环控制,从而实现了对转速的实时有效的控制.为了提高系统整体的可靠性,该控制器还具有对温度、主动电机转速等的监测输入接口,并可通过界面显示和输出接口输出对应的信息,由用户选择控制或由事先编制的程序流向控制.作者简述了模糊控制技术以及在控制器中的应用,完成的硬件设计、制作与软件的测试,已初步达到了设计要求.本文还对不同的硬件设计方案,器件的选用、测速方法等进行了分析比较与讨论为进一步开发更高品质的产品提供了建设性建议.2.学位论文 朱红军 电控机械式变速器离合器和发动机配合控制 1999该文围绕自动变速中离合器的接合问题,进行了以下研究工作:1.综述了国内外AMT系统的发展和系统结构原理,简述了AMT系统的关键技术问题.在此基础上提出论文工作内容;2.分析了离合器接合动力学过程以及换档过程中发动机转速变化与变速器质的关系;3.结合理论,提出了自动变速中离合器和发动机控制实施方案;试制了发动机节气门(油门)信号采集及控制电路;4.研究和设计了自校正PI控制器控制的离合器接合控制规律和换档过程中发动机转速模糊调节规律;5.对于换档中离合器和发动机控制,编制及调试了控制系统软件程序;6.在实验台进行了自动变速中离合器和发动机控制实验,分析了实验结果.验证了机电系统的可行性和控制规律的有效性.3.期刊论文 程东升.张建武.孙承顺 车辆AMT离合器离散变结构控制 -农业机械学报2003,34(1)以车辆机械式自动变速系统(AMT)的离合器液压执行机构为研究对象,建立系统非线性动力学模型,进一步应用基于微分几何的反馈线性化方法,将原非线性系统等价为完全可控型线性化模型,在此基础上设计了离散变结构控制器,并且证明了离散变结构系统的稳定性.实验结果证明,这一控制器跟踪精度高,并且对系统的非线性和不确定性表现出很强的鲁棒性.4.期刊论文 孙芹.李作丽 调速离合器电液比例控制系统 -中国科技博览2009(11)本文介绍了液体粘性调速离合器电液比例系统的构成、工程应用及电液比例控制器的选型,井给出了相应的速度检测电路.5.会议论文 蒋彬.安晓峰 汽车离合器自动控制器的设计 2001本文介绍一种干式汽车离合器的自动控制装置,用于实现离合器操纵的自动化,其目的是与机械式变速器配合实现全机械式变速器的自动控制.6.学位论文 谢先平 汽车自动离合器接合过程控制策略研究 2008自动变速器是汽车变速器的发展方向，机械自动变速器AMT具有成本低、结构简单、传动效率高、经济性好的特点，对现有手动变速器改动小，易于产业化开发，是一种特别适合我国国情的自动变速器。自动离合器是AMT系统最重要的一个功能模块，也是AMT控制的难点和核心。同时它也可以单独作为一个产品开发，同手动变速器相比，自动离合器可大大减轻驾驶强度，提高驾驶舒适性及安全性。自动离合器控制难点在于离合器最佳接合规律的制定和对于离合器接合规律的准确跟踪，目前这两方面的研究均不太成熟，本文主要围绕这两个大的方面进行了自适应控制策略仿真以及试验研究，最后针对试验样车开发了自动离合器控制系统，并进行了相关的道路试验。 1）分析了现有离合器驱动机构的优缺点，在此基础上设计了一种新的电动式驱动机构，采用蜗卷弹簧进行力矩补偿，可以减轻驱动电机的负荷并改善系统的动态性能；采用成熟传感器作为位置传感器，并设计有机械限位机构。分析了蜗卷弹簧机构的设计方法。建立了离合器、驱动机构和电机一体化的动力学模型，为离合器位置跟踪控制器的设计打下了理论基础。 2）利用电涡流测功机系统测取了DA465Q发动机的速度特性，利用数据拟合方法建立了发动机转矩数学模型。建立了车辆传动系统动力学仿真模型。分析了影响离合器接合规律的因素，根据离合器起步控制目标，提出了一种改进的发动机局部恒转速控制策略，作为离合器起步总体控制原则。针对发动机恒转速控制实现问题，提出了一种模糊控制和规则协调控制相结合的控制策略。以节气门开度、发动机转速相对偏差及发动机转速变化率为控制量，设计了模糊控制算法；以最低接合转速、离合器输入输出转速差和离合器输出轴转速为辅助控制量，设计了调整规则。多种起步工况的仿真试验表明所提出的控制策略具有较好的控制效果和较强的适应性，为自动离合器控制软件的开发提供了理论依据。 3）针对离合器磨损补偿问题，提出了一种空行程自学习补偿控制策略，利用离合器磨损后扭矩传递特性相对不变的特点来在线检测空行程结束点的位置，该策略简单易行，具有较强的实用性。 4）针对转速信号的滤波问题，提出了一种自适应中值决策滤波和巴特沃思滤波相结合的滤波算法，利用自适应中值决策滤波滤除较大的脉冲干扰，利用巴特沃思滤波器进行平滑滤波。试验结果表明，同普通中值滤波和单纯的FIR滤波相比，该滤波算法能够利用最小的滤波窗口滤除大脉冲干扰，同时具有较好的平滑性，能够实现快速、准确滤波。 5）离合器位置跟踪控制是一个较复杂的非线性控制问题，本文利用神经元控制理论，设计了具有前馈控制作用的增益可调整离合器位置神经元自适应PID控制器。利用神经元的自学习功能实现权系数的自动调整，利用前馈控制增强控制器的动态性能，利用PSD算法实现增益的自动调整。试验表明，它能够实现离合器位置的准确跟踪，位置跟踪动、静态误差小，另外，它能够适应离合器负荷和目标接合速度的非线性变化，同时能够适应系统参数的变化，表现出了良好的鲁棒性，可以满足离合器位置跟踪控制要求。 6）以infineonXC164CS高性能16位单片机为核心，针对样车设计了自动离合器控制器，根据车辆运行工况和控制策略编写了控制软件。为方便系统的调试，开发了自动离合器辅助调试软件。在样车上进行了多种工况的起步试验和换档试验，试验表明车辆在各工况下均能顺利起步，平地起步时车辆起步平稳，发动机转速波动小，且能充分体现驾驶员意图；坡道起步时，能够防止车辆后溜与发动机熄火，表明控制系统对不同工况均具有较好的适应性。目前样车行驶已经超过了15万公里，系统运行良好，车辆舒适性和安全性均达到要求，取得了较好的成效。 关键词：自动离合器；接合控制策略；位置跟踪；单神经元控制7.期刊论文 赵永胜.刘志峰.杨文通.蔡力钢.Zhao Yongsheng.Liu Zhifeng.Yang Wentong.Cai Ligang 汽车自动离合器的动态滑模控制 -汽车工程2009,31(6)针对自动离合器的非线性特性、易受外部干扰和参数不确定性的特点,采用动态滑模控制器实现离合器的有效控制,该控制器能有效缓解抖振现象并提高自动离合器的鲁棒性.为验证所采用控制器的有效性和鲁棒性,建造了基于dSPACE的自动离合器快速控制原型试验平台并进行试验.结果表明,与PID控制器和常规滑模控制器相比,所采用的控制器具有更好的控制性能.8.学位论文 孙承顺 汽车自动离合器控制系统快速开发研究 2003该文针对国内汽车自动离合器技术的发展现状,提出了一种低成本、高效率的电子控制系统硬件在环仿真技术,建立了相应的快速原型开发系统.首先根据实时仿真需要建立了反映问题本质的自动离合器系统模型.基于混合仿真技术,进行了自动离合器快速开发系统的总体方案和功能设计,并以总体方案为指导,以自动离合器快速开发系统功能设计为目标,从软件、硬件和接口三个方面详细论述了自动离合器快速开发系统的设计和构造.该文利用该快速原型开发系统,对自动离合器的控制策略进行了深入研究.主要工作分为两步:第一,采用最优控制方法,综合冲击度与滑模功两项评价指标,得到离合器最优控制轨线;第二,构建具有较强鲁棒性的滑模控制器,对最优轨线进行跟踪,以实现自动离合器最优控制.在Matlab/Simulink中搭建整个控制系统模型,依次进行纯数字仿真、实时数字仿真以及硬件嵌入式实时混合仿真,以证明该控制策略的