（机械电子工程专业论文）单片机变转速液压测控系统.pdf

摘要 摘要 变转速液压技术作为一种新型的节能传动方式，有显著的节能效果，它能够 降低整个液压系统的能量损失，可以提高整个系统的工作效率，在液压系统中应 用十分广泛。同传统的泵控系统相比，具有噪声低、调速范围宽等优势，但变转 速液压调速系统也存在着动态响应慢、低速特性差、速度刚性差等问题。为了使 这种节能传动技术得到更好的发展和应用，论文中设计一套以单片机作为主控制 器的测控系统，在变转速泵控马达调速系统的实验中用于液压信号的采集和控制 信号的输出。 论文中通过对变转速液压系统组成结构与工作原理的分析，弄清了液压系统 中各传感器的输出信号类型与变频器、方向阀、溢流阀的控制信号类型，从而确 定了信号调理电路和测控系统的总体结构和功能。论文详细阐述了测控系统硬件 部分的设计，包括电源模块、复位电路、振荡电路、存储模块、数据采集电路、 键盘和液晶显示电路、d a 输出模块以及u s b 通信模块，同时设计了信号调理电 路板对测控系统的输入输出信号进行放大、隔离、滤波等处理。利用p r o t e l9 9s e 设计了信号调理电路和测控系统的原理图和p c b 图，并加工电路板焊接了电子元 器件，制作出了硬件实物。应用l 沁i l c 对系统软件程序进行开发设计，包括系统 主程序、多通道数据采集程序、l c d 液晶屏显示及键盘程序、d a 输出控制程序 等。采用k e i lu v i s i o n 和伟福仿真器对各子程序进行了联机调试，由现场调试数 据采集和液晶显示等程序的实现，说明硬件和软件设计良好，可以采集和显示变 转速液压系统的动态参数。 通过对设计出的硬件和软件的调试，得出论文设计的单片机变转速液压测控 系统具有同时显示多个液压参数的功能，可以对多路液压信号进行实时的采集， + 且体积小、应用方便、性价比高、可扩展性强，能够给同类测控系统的设计与应 用提供一定的借鉴。 图【4 9 】 表【1 3 】参【5 9 】 关键词：变转速液压技术；测控系统；单片机；信号调理电路；数据采集 分类号：t h l 3 7t p 2 7 1 + 4 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v a r i a b l es p e e dh y d r a u l i ct e c h n o l o g y 舔an e wt y p eo fe n e r g y s a v i i l gd r i v em o d e ， i tc a l lr e d u c ee n e r g yl o s so ft h eo v e r a l lh y d r a u l i cs y s t e m ，e n e r g y - s a v i n ge f f e c ti s r e m a r k a b l e ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ew h o l es y s t e m , s oi th a sab r i l l i a n ta p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nt h eh y d r a u l i cs y s t e m 晰t l lt h ec o m p a r i s o nt ot h et r a d i t i o n a lp u m pc o n t r o l s y s t e m , i th a so b v i o u sa d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wn o i s ea n dw i d es p e e dr a n g e ，b u tt h e v a r i a b l es p e e dh y d r a u l i cs p e e dc o n t r o ls y s t e ma l s oh a ss o m em a i np r o b l e m s ，s u c ha s l o n gr e s p o n s et i m e ，p o o rl o w - s p e e dc h a r a c t e r i s t i c s ，l o ws p e e ds t i f f n e s s i no r d e rt o m a k et h i se n e r g y - s a v i n gd r i v et e c h n o l o g yh a v eb e t t e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n ， t h i sp a p e rw i l ld e s i g nat e s t - c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hu s e sm c ua si t sm a i nc o n t r o l l e r , t o c o l l e c th y d r a u l i cp r e s s u r es i g n a la n do u t p u tc o n t r o ls i g n a li nt h ee x p e r i m e n to fv a r i a b l e s p e e dp u m p c o n t r o lm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m b yt h ea n a l y s i so fs t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ev a r i a b l es p e e d h y d r a u l i cs ) , s t e m ，t h i sp a p e ra s c e r t a i nt h eo u t p u ts i g r l a lt y p eo fs e n s o r s ，c o n t r o ls i g n a l o u t p u to f t r a n s d u c e ra n dp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v ea n dp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e ，s o a st od e s i g nt h eg e n e r a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no fs i g r l a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n d t e s t - c o n t r o ls y s t e m t l l i sp a p e re l a b o r a t eh a r d w a r ed e s i g no ft h et e s t - c o n t r o ls y s t e m , a n dt h ed e s i g nc o n t a i n sp o w e rm o d u l e ，r e s e tc i r c u i t ，d a t as t o r a g e ，d a t aa c q u i s i t i o n c i r c u i ll c dd i s p l a ya n dk e y b o a r dc i r c u i t , d aa n a l o go u t p u tm o d u l ea n du s b c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，a tt h es r i n et i m ei td e s i g n ss i g n a lr e g u l a t ec i r c u i tb o a r dt o p r o c e s st h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l so ft h et e s t - c o n t r o ls y s t e m ，f o re x a m p l e ，s i g n a l a m p l i f i c a t i o na n ds i g n a li s o l a t i o na o _ df i l t e r i n g i td e s i g nt h es c h e m a t i cd i a g r a ma n d p c bo fs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dt e s t - c o n t r o ls y s t e m ，m o r e o v e r , p r o c e s s e dc i r c u i t b o a r da n ds o l d e r i n gt h ec o m p o n e n to nt h ec i r c u i tb o a r d ，a n dm a n u f a c t u r et h eh a r d w a r e p r o d u c t s y s t e m s o f t w a r ei s d e s i g n e db yt h ea p p l i c a t i o n o fs o f t w a r eb u i l d e n v i r o n m e n t k e i l c ，a n dt h ep r o g r a md e s i g ni n c l u d e ss y s t e mm a i np r o g r a m ， m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o np r o g r a m ，l c dd i s p l a ya n dk e y b o a r dp r o g r a m ，d a o u t p u tc o n t r o lp r o g r a m a l ls o f t w a r ei sd e b u g g e do n - l i n et h r o u g ha p p l y i n gt h ek e i l u v i s i o na n d 眦坊s i m u l a t o r , a n db ym e a n 。so ft h er e a l i z a t i o no fd e b u g g i n gt h ed a t a a c q u i s i t i o na n dl c dd i s p l a yp r o g r a m s ，i th a sb e e np r o v et h a tt h ed e s i g no fh a r d w a r e a n ds o f t w a r ei sc o l l r e c t ，a n dt h et e s t - c o n t r o ls y s t e mc a nc o l l e c ta n d d i s p l a yt h ed y n a m i c - 摘要 p a r a m e t e ro f v a r i a b l eh y d r a u l i cs y s t e m t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n dd e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i ts h o w s t h a tt h et e s t - c o n t r o ls y s t e mo ft h ev a r i a b l es p e e dh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nm c uc a n d i s p l a ya n dc o l l e c tr e a l - t i m em u l t i p l eh y d r a u l i cp a r a m e t e r sa tt h es a m et i m e i n a d d i t i o n , t h ep r o d u c th a sd i s t i n c ta d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l lv o l u m e ，c o n v e n i e n c ef o r a p p l i c a t i o n , h i g hp e r f o r m a n c e p r i c er a t i oa n dp o w e r f u le x p a n s i b i l i t y , a l s ot h ed e s i g n w i l lp r o v i d ee x c e l l e n tr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o nf o rt h es a m el ( i n dt e s t - c o n t r o l s y s t e m f i g u r e 4 9 】t a b l e 13 】r e f e r e n c e 5 9 】 k e y w o r d s ：v a r i a b l es p e e dh y d r a u l i ct e c h n o l o g y , t e s t - c o n t r o ls y s t e m ，m c u ，s i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t , d a t aa c q u i s i t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h l 3 7t p 2 7 1 + 4 引 言 引言 近年来，伴随着国家对科技创新能力以及节能降低能耗提高生产力的重视程 度日益增加，在工业生产和制造业中各种传动方式及控制技术之间的竞争日趋白 热化，能耗的多少、噪声的大小、系统的复杂及自动化程度的高低已经成为评价 机电设备性能优越性的重要标准。在传统的流体动力与控制领域，用变转速电机 驱动液压泵这一新型动力源在一定程度上满足了人们对机电设备性能的需求。变 转速液压技术作为一种新型的节能传动方式，能够有效的减少液压系统中能量的 损失，具有噪声低、调速范围宽、无空转能耗、无需辅助能源等优势。但是也同 时存在动态响应慢、低速特性差、速度刚性差、以及效率特性变化大等问题，这 也就限制了这种节能传动系统的普及和广泛应用。变转速液压节能基础理论研究 涉及控制理论、电液比例技术以及电机变频调速技术、测试计量技术等，是多学 科交叉性问题，目前该领域尚未形成系统的科学理论，变转速控制系统的应用仍 然具有很大的盲目性和经验性，因此开展深层次的基础理论研究有十分重要的意 义。 随着现代加工工艺的提高以及电子技术的发展，单片机已经发展成为一种性 能高、体积小、接口丰富、功能齐全的微型控制器，已经广泛的应用到航空航天、 。智能仪器、数码产品等各个领域，尤其在工业生产和控制中将其作为主控制器开 发出的测控产品的应用是非常普遍的。论文中以单片机为核心控制器，开发出一 套适用于变转速液压系统的测控系统有非常良好的实用意义。相对于传统的工控 机，单片机测控系统具有体积小、实用性强、经济性好、使用方便等诸多优点。 通过调试验证可以为变转速液压继续的深入研究和完善提供一个良好的实验条 件。 一 1 绪论 1 1 变转速液压技术的概况 1 1 1 变转速液压技术发展及应用 1 绪论 伴随着现代工业科技水平的不断发展与提高，人们对各种传动方式及其相应 控制技术的要求也是日益提升，不但要求此传动方式能够实现其功能，而且在能 量的损失、使用效率、方便性和自动化程度上的需求也变得越来越严格。液压传 动以液体的压力能进行能量传递与控制【l 】，由于传动平稳、调速方便等优点而广泛 应用于机电产品和工程机械领域。但是这种传动方式也存在不足之处，比如能量 利用率不高，效率较低等。因此，如何节能降低功耗一直都是液压传动控制领域 的主要研究方向之一【2 】。变转速液压技术具有高效率的工作状态，能够很好的减少 液压系统的能量损失，提高整个系统的效率。变转速液压技术作为一种全局型的 新型节能传动方式，相比传统的液压控制方式其优势体现在：简化机构、噪声低、 调速范围广、节能显著、制动能回收、优化算法提供可控性等方面。 由于变转速液压所具有的以上优点，国内和国际上针对变转速液压技术都开 展了广泛的研究，并取得了一定成果。 国内对于变转速液压技术的研究主要集中在应用研究上，主要是在原有液压 系统上进行变转速液压技术改造或者是直接将其应用于产品中。其中典型的应用 是将变转速液压技术应用于液压电梯领域。浙江大学流体传动及控制重点实验室 对变转速液压驱动电梯方案进行了详细的研究，使我国变频液压电梯控制系统的 研究取得了较大的发展和成绩，对我国的变转速液压技术起了带头与推动作用。 浙江大学的徐兵教授所研究的新型变频液压电梯( 如图1 ) 采用的是一种带蓄能器 的新型节能方案【3 4 5 ，6 刀，采用这种方案的液压电梯节能率较之普通液压电梯可以达 到6 0 左右，从而较大程度地减小系统的装机功率1 3 1 。 太原理工大学权龙教授1 9 9 9 年介绍了多种注塑机电液控制系统，特别分析了 。 变频电机驱动变量泵的电液注塑机系统。相比之下，变频电机能耗小、噪声低， 更具有竞争力【1 6 】。2 0 0 2 年研究了转速可调直接闭环控制差动缸伺服系统的静特性。 、文中提出的回路方案及总压力控制原理，十分符合闭环差动缸的理论分析及技术 要求。结论表明系统不存在节流损失，辅助工作周期不消耗能量，系统能获得与 ，阀控回路相当的控制特性。 安徽理工大学硕士学位论文 1 一电机2 一主回路泵马达3 蓄能器回路泵马达h 滤器5 开关电磁阀6 单向阀 7 一安全阀8 一蓄能器蝴控单向阀l 卜柱塞缸1 1 一安全阀1 2 光电编码器1 3 一光电 编码器1 4 一l ，2 ，3 压力传感器1 5 一单向阀1 6 一手动泵1 7 手动下降阀 图1 带蓄能器的变频驱动液压电梯系统原理图 f i g 1 t h ed i a g r a mo fv v v fc o n t r o l l e dh y d r a u l i ce l e v a t o r sw i t hp r e s s u r ea c c u m u l a t o r s 针对变转速液压控制电梯的能耗特性、节能方法进行了深入的分析和总结 【6 7 ，8 9 1 0 1 。研究了液压电梯及变转速驱动液压电梯控制系统的智能控制策略，比较 研究多种控制方法以达到良好的电梯控制品质，并对其调速与补偿特性进行了研 容【l l 。1 2 ，1 3 ，1 4 】 o o 变转速液压技术在注塑机的应用上国内主要是对原有的液压系统进行改造， 以降低原有注塑机的能耗。文献 1 5 ，1 6 指出了应用变转速液压技术的电液复合 控制注塑机已成为了当今精密注塑机的发展方向之一，变转速液压技术将在注塑 机中得到进一步的发展与应用。 宁波华液机械制造有限公司对变频与比例复合调速系统进行了实验研究，并 获得了专利。其控制原理是：由位置传感器动作于继电器回路，转化成电压信号 传给电脑单元，再由电脑单元发出电流信号传至电液比例溢流阀，使溢流阀有相 应的阀口开度。电脑单元发出的另一电流信号传至变频器，变频器输出相应的频 率给电机，电动机带动动力泵，同时电流信号又传给电液比例节流阀，使节流阀 有相应的阻力，动力泵提高的流量经溢流阀溢流、一节流阀的阻力，流向换向阀， 由换向阀进入油缸，推动活塞进行往复运动，从而完成产品的j n - r t l 刀。 除此之外，国内相关企业、院校和科研机构还针对变转速液压技术在液压动 4 ” l 绪论 力单元【l s l 、液压牵引系统【1 9 1 、盾构刀盘驱动系统【2 0 】、大惯量变频泵控马达调速系 统 2 1 】、斜井架空乘人装置【2 2 】等方面进行了研究探讨。 国外在该技术的性能研究方面主要包括如下几个方面： 文献 2 3 ，2 4 提出了以变频驱动实现液压系统恒压控制的方案，并对这种带蓄 能器的变频驱动恒压系统进行了特性研究和性能测试。并对变频电机或普通电机 驱动定量泵或变量泵的每一种情况( 见图2 ) 的节能效果和动态特性进行了对比实 验研究。 文献【2 5 】进行了针对泵控马达和变频驱动泵控马达这两种情况的基于模型的 极点配置自调整自适应控制仿真和实验研究。 文献 2 6 】对变频电机驱动定量泵进行了仿真研究，通过检测液压缸两腔的压 力，泵出口压力及负载运行速度，然后对比例方向阀和变频器进行协调控制。 文献【2 7 】对变频电机驱动定量泵系统和普通电机驱动变量泵系统的效率进行 了对比研究，得出了有益结论。 ( a ) 普通电机驱动定量泵 c o ) 普通电机驱动变量泵 ( c ) 变转速电机驱动定量泵 ( d ) 变转速电机驱动变量泵 。 图2 四种驱动方式 f i g 2f o u rk i n d sd r i v i n gw a y 在变转速液压技术的研究和应用方面，日本也率先开始这一新型节能传动方 式的研究 2 s , 2 9 1 ，并成功开发了应用变转速电动机驱动定量泵作动力源的液压电梯 【3 0 l ，获得了满意的节能和速度控制效果，随后德国、瑞士也推出了变转速驱动的 液压电梯【3 1 3 2 1 。日本、德国对变转速电动机驱动液压泵几种形式的动静态特性及 节能效果进行了研究【3 3 3 4 , 3 5 1 。德国对变转速电动机驱动液压泵这一新型动力源在 5 - 安徽理工大学硕士学位论文 塑料注射机中的应用作了深入地研究，结果表明应用这一新型动力源可进一步降 低能耗2 5 以上闭。 变转速液压技术除了应用于变频液压电梯以外，还在飞机、液压转向系统、 注塑机等领域中得到实际应用。文献【3 7 】通过实验验证了变转速液压技术在飞机 中具有明显的节能效果。文献 3 8 1 论述了变转速液压技术在飞机中的应用。变频 驱动液压技术由于其良好的节能特性将成为未来飞机液压驱动技术的主流。文献 【3 9 论述了汽车液压转向系统的节能途径，指出了变转速液压转向系统是一种有 前途的节能型转向系统。 国外在变转速液压产品的开发方面也有许多成功的例子。比如t r u n i g e r 公司 的e p q 动力单元，日本o p t o n 公司的d d vh y b r i ds e r v op u m p 系统，v o i t ht u r b o 公司的v o i t he p a ，布赫液压公司的变转速液压动力单元，日本k a w a s a k ip r e c i s i o n m a c h i n e r y ，l t d 的混合液压动力单元，日本油研公司的变频液压泵站产品、r e x r o t h 公司的变频液压技术等。 1 1 2 变转速技术的基本原理及控制方式 变频调速的目的是通过改变定子绕组供电的频率以调节电机转速。电机转子 的实际转速为【4 1 1 ： 。 拧= 6 0 f ( 1 一s ) p ( 1 - 1 ) 式中：拧一异步电机的实际转速，单位：r p m ： 厂一交流电源频率，单位：h z ： s 一转差率； p 一磁极对数； 由式1 1 可以看出，由于电机的转差率s 变化很小( 1 6 ) ，磁极对数p 已 经确定，因此，改变交流电源频率既可改变电机转速。但是，为了使变频调速时 的最大转矩保持不变，必须维持恒定的磁通量，故而也要对定子的供电电压作相 应调节。 对电机电压、频率进行控制主要是根据电机的运转要求及特性参数，对电机 的控制方式不一样，其控制效果也相同。目前，常用的控制方式主要有u f 控制、 电压空间矢量控制、直接转矩控制及矢量控制。 u f 控制是在调节电源频率的同时调节电压，使电机磁通保持恒定。这种控 制方式成本较低、控制电路简单、机械特性硬度较好，可以满足一般传动系统平 滑调速的要求，但不能适应负载转矩的变化和适当地调整电机的转矩补偿，也无 ， 6 l 绪论 法准确地控制电机的实际转速。 电压空间矢量控制通过一次生成三相调制波形，并以内切多边形逼近圆的方 式而进行控制的。这种控制方式引入频率补偿，可以消除速度控制的误差，提高 了动态的稳定度与精度。 矢量控制得实质是分别对磁场、速度两个分量进行独立控制，将交流电机间 接地等效为直流电机。该种控制方式具备异步电机参数自动辨识、自动检测和自 适应功能。矢量控制不仅可以控制异步电机产生的转矩，而且在调速范围上也可 以与直流电机相媲美。 直接转矩控制的思路是将电机和逆变器视为一个整体，在定子坐标系中进行 转矩和磁通的计算，直接控制转矩。不需要模仿直流电机的控制，控制结构简单、 系统的转矩响应迅速，是一种具有较高的静、动态性能的控制方式。 1 2 单片机的发展概况 1 2 1 单片机的发展与应用 单片机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，直译为单片微型计算机，它是将c p u 、 r a m 、r o m 、定时器计数器、输入输r 1 0 o ) 接口电路、中断、串行通信接口等 主要计算机部件集成在一块大规模集成电路芯片上，组成单片微型机( 简称单片 机) 。单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序 存储器和数据存储器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿( p r i n c e t o n ) 结构，或 称为冯诺依曼结构；另一种是将程序存储器和数据存储器分开，分别寻址的结 构，称为哈佛( h a r v a r d ) 结构。i n t e l 公司的m c s 5 1 和8 0 c 5 1 系列单片机采用的哈 佛结构，而m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c l1 等采用的则是普林斯顿结构。1 9 7 6 年i n t e r 公司首先推出能称为单片机的m c s - 4 8 系列单片微型计算机。它以体积小、功能 全、价格低等特点，赢得了广泛的应用。目前，单片机的种类很多，但其中最具 代表性的就是i n t e r 公司的m c s 5 1 系列单片机，虽然它仍是8 位的单片机，但其 功能有很大的增强，此外它品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，其他生 产厂商都生产了基于5 l 内核的各种单片机。m c s 5 1 系列单片机是世界上用量最 大的几种单片机之一，但单片机的市场还包括其他主要生产商，比如a t m e l 公司、 p h i l i p s 、三星、m o t o r o l a 、a r m 等。 随着单片机在工业控制领域和消费电子产品的要求的提高，单片机的功能有 了很大的发展，比如单片机主频和处理字长呈几何量的增长意味着处理速度和处 妻 安徽理工大学硕士学位论文 理信息量的增加，以及单片机内部已经整合了如a d 、p w m 、p c a 、w d t ( 监 视定时器) 、高速i o 口、计数器的捕获、u s b 接口等功能，因此单片机可以完 成的工作以及应用领域都有了极大的拓展。单片机微控制器随着应用领域的不同 使其逐渐向不同的方向有了很大发展。例如适合做数字信号处理的d s p 处理器， 它于八十年代问世，最大的特点就是数据处理能力强大和高运行速度，是一种特 别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，适用于实时快速地实现各种数字信 号处理和复杂控制算法。随着技术的发展，d s p 的应用迅速扩展到广泛的民用产 品，诸如硬盘驱动器、通用调制解调器，无线通信终端等、宽带通信、数字控制、 数字视频等领域，d s p 作为一种处理器已经处于数字信息核心引擎的地位。嵌入 式控制领域的代表a r m 问世于九十年代，其主要特点是体积小、低功耗、低成 本、高性能，大量使用寄存器，指令执行速度更加快。基于a r m 技术的微处理 器应用约占3 2 位r i s c 处理器7 5 以上的市场份额，遍及工业控制、消费电子产 品、通信系统、网络系统等，其中手机、移动上网本、平板电脑等移动通讯设备 上使用极其广泛。另外比如一些性能强大且专门应用于专业领域的单片机，如英 飞凌是全球领先的半导体和系统解决方案供应商，其主要单片机业务涉及能源效 率、通讯和安全性三大领域。在国际市场上，每辆汽车平均采用2 5 颗英飞凌提供 的器件，全球平均三分之一的发动机管理系统由英飞凌单片机控制，其s p 3 0 + 无 线发射器t d k 5 1 0 0 f 与接收芯片t d a 5 2 1 0 轮胎汽车压力监测解决方案已经获得 验证和推广，现在已有1 0 0 0 万辆在使用。 诸如以上介绍的功能强大和用于专业领域的单片机，它们都具有仪器集成度 高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格相对低廉等优秀特点， 在各个领域得到了广泛的应用与发展，且已经渗透到人们工作和生活以及工业生 产的各个方面。 国内高校及科研就单片机的具体应用都开展了非常广泛和深入细致的研究。 西南交通大学的科技工作者研究设计了以单片机作为主控制器的火炮升降机构可 靠性的测试系统，设计能够完成依靠单片机和电子元件完成自动检测与控制【4 3 】。 浙江大学的工程师设计了基于u s b 的多功能测试系统，使用一般的计算机平台就 可以通过软件来实现数据分析处理、人机对话、显示内容等若干功能，同时又具 有很多传统的测试系统的诸多优良性能 4 4 1 。南京理工大学的研究人员针对高校过 程控制试验中采用的数据采集卡在实验中需要反复拆装机型插拔的不利因素，设 计了一种外挂型的带有c p u 并且具备对外通信接口的智能测控模到4 5 1 。大庆石 油学院的科研人员研究开发了基于单片机的高精度随钻斜测仪，为我国石油开采 8 l 绪论 与探测工业解决了一项关键技术1 4 6 1 。东南大学以单片机为控制器研制了喷油泵试 验台全面自动测控系统，为深入研究喷油泵提供了便捷的研究手段 4 7 1 。 1 2 2 单片机在液压传动控制系统中的应用 液压传动作为各种机电设备普遍采用的主要传动方式之一，在液压传动的基 础理论研究、液压产品的性能分析与检测、监测液压设备运行状态时都离不开对 液压系统各项参数的测试。液压测试又是实现液压系统自动控制的基础，压力、 速度、流量等信号的反馈，是计算机控制量输出的依据【4 引。 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室的科技人员利用单片机设计电液比 例阀控液压电梯的单片机控制系统，可以很方便的利用此控制系统使电梯以最佳 速度曲线远行，一举解决了电梯使用过程中经常出现的不适感，同时保证了电梯 运行过程中有较高的可靠性和稳定性【4 9 】。浙江大学在液压电梯节能与控制方面取 得了许多重要的科技成果，其科研人员不断研究改进控制系统的设计使浙江大学 在液压电梯领域的研究有非常突出成绩。其开发出了以单片机为主控制器的变频 调速液压电梯控制系统，改进了以往控制器控制性能的不足，使单片机控制器的 效能达到甚至超越了计算机控制系统的水平，从而为变频液压电梯的设计改进提 供了良好的实验平台【5 0 1 。同济大学的研究人员设计了以c 8 0 5 1 单片机为控制核心 的单片机速度控制系统，单片机控制液压电梯系统按照预先给定的理想速度曲线， 施加相应的脉宽调制信号值系统压力油的流量从而达到控制轿厢速度的目的，此 单片机控制系统的研制对于提高液压电液的速度控制性能有很高的益处【5 1 】。广东 工业大学结合数控转塔冲床对液压伺服控制系统的性能要求，设计了以 m 1 6 c 6 2 p 单片机为控制核心的测控系统，可以对数控系统进行数据检测和运动 状态的控n t 5 2 】。 1 3 课题的主要内容和研究意义 1 3 1 课题来源与研究内容 课题来源于国家自然科学基金资助项目“变转速泵控马达调速系统应用基础 研究肌( 基金号：5 0 8 7 5 0 0 1 ) 。 论文的主要研究内容如下： 1 分析变转速泵控马达调速系统的工作特点与运行原理， 采集的液压系统的信号以及需要控制的对象； 确定测控系统需要 安徽理工大学硕士学位论文 2 分析变转速液压实验台中压力传感器、转速传感器、光电编码器、温 度传感器的输出信号电气特性，并分析实验台的被控对象：变频器、比例方 向阀、比例溢流阀的控制信号特性； 3 根据测控系统的输入信号和输出信号确定信号调理电路板的功能，设 计信号调理电路； 4 根据液压系统的实际要求确定测控系统的硬件组成，并确定测控系统 各功能模块芯片的类型，设计单片机与各芯片的连接电路与芯片的外围工作 电路； 5 利用p r o t e l9 9s e 设计信号调理电路及测控系统的电路原理图和p c b 图，加工制作p c b 板，焊接电路板元器件； 6 采用单片机c 语言设计测控系统主程序与各级子程序。通过k e i l 和 伟福仿真器对测控系统硬件和软件进行联合调试，得出结论。 1 3 2 课题的研究意义 在实验室的大型液压综合实验台上进行变转速泵控马达调速系统的实验时， 采用工控机、传感器、编码器、数据采集卡等采集实验过程中的液压信号，而对 变转速液压系统中变频器、比例方向阀、比例溢流阀输出控制信号时只能进行单 一输出，且工控机体积相对较大，价格较高。单片机不但体积小而且价格低廉， 且单片机在工业控制上的功能并不逊色于p c 机，其内部功能和接口非常丰富， 比如具有c a n 通信接口、p w m 脉宽输出、a d 和d a 转化等功能。采用一款性 价比高、功能齐全的单片机设计一套针对变转速液压系统的测控系统，对液压元 件进行相关信号的测试和控制，不仅能够满足实验要求而且丰富实验中测试以及 控制手段的多样化，能够为实验提供一个可靠的研究平台。 采用单片机作为主控制器的数据采集和控制系统的适用范围非常广泛，在实 际的工业控制中往往把以单片机作为主控制器的测控系统作为下位机，检测采集 多个动态参数和过程量，并且可以通过通信接口与上位机进行数据通信。以单片 机为控制核心的变转速液压测控系统，可以同时检测和控制的参量多，单片机的 应用广泛而且技术比较成熟，价格相对低廉性价比高，使用安装方便，硬件设计 灵活性高可扩展升级能力好，能为变频液压系统的研究提供研究手段和技术保障。 2 变转速泵控马达调速系统介绍 2 变转速泵控马达调速系统介绍 2 1 变转速泵控马达调速系统的组成 本论文所研究的变转速液压系统主要是由变频器、三相异步电动机、定量泵、 电液比例方向阀、摆线马达、电液比例溢流阀等液压元件构成的大型液压综合实 验台，并且实验系统中配备有测试性能优秀的传感器、仪表及信号处理仪。实验 系统有定量泵，系统中的执行器件有液压缸及液压马达，比例溢流阀是液压系统 中的加载装置，可以用来模拟液压动力设备的不同工作状况的运行。 图3 为实验室大型变转速液压综合实验台。 图3 液压综合实验台 f i g 3h y d r a u l i cm u l t i p l ee x p e r i m e n ts y s t e m 2 1 1 变转速液压系统的原理分析 变转速泵控马达调速系统如图4 所示。变频器l 把3 8 0 w 5 0 i - i z 的工频电源信 号变换成特定的电压信号供给到异步电机2 ，电机2 带动主液压泵3 作旋转运动， 主泵，3 输出一定流量压力油，压力油经过单向阀4 、截止阀5 以及比例方向阀7 驱动双向定量马达8 进行回转运动，马达8 的出口低压油经过比例方向阀流回到 油箱中。 1 1 安徽理工大学硕十学位论文 马达输出轴通过联轴节同转子轴相连，转子轴上装有惯性轮9 和光电脉冲编 码器1 0 ，转子轴的另一端通过联轴节和加载泵1 l 的输出轴相连，马达8 的回转 带动加载泵1 1 回转。加载泵1 1 从低压侧吸进液压油，出油口排出的为高压油。 与此同时电机1 5 带动补油泵1 4 运动起到补油作用，防止加载泵1 1 吸空引起的系 统振荡。调节溢流阀1 6 阀口开度的大小，可以改变加载回路中高压侧的压力。 当马达8 的转速处于加速和恒速阶段时，其通过改变变频器的电压控制信号 来调节，此时主回路没有溢流，溢流阀2 0 起到安全阀的作用。当马达8 的转速处 于减速阶段时，由于比例方向阀7 具有的节流作用，马达8 的转速可以通过调节 流量控制阀7 的阀口开度大小来实现，同时变频器按照输入的电压信号大小来降 低泵的转速，减小液压源的输出流量，2 0 此时起到溢流阀的作用，主回路存在较 小的溢流量1 2 。 l 变频器2 一电机3 一主泵4 一单向阀5 一截止阀6 一压力传感器7 一比例方向阀 8 马达9 惯性轮l o 一光电编码器1 1 一柱塞泵1 2 一倒装阀1 3 一单向阀 1 4 一 补油泵 1 5 一电机 1 6 一比例溢流阀 1 7 转矩转速传感器1 8 一转矩转速测量仪 1 9 二温度传感器2 0 一比例溢流阀2 1 信号调理电路板2 2 一测控系统2 3 工控机 图4 变转速泵控马达调速系统原理图 f i g 4e x p e r i m e n t a le q u i p m e n tt h e o r yd i a g r a m 光电编码器1 0 采集到的马达转速信号和转矩转速传感器1 7 采集得到的电机 1 2 2 变转速泵控马达调速系统介绍 转速信号经过信号调理电路板2 1 后送入基于单片机的数据采集系统2 2 ，4 路压力 传感器采集到的4 - 2 0 m a 系统压力信号经过信号调理电路板转化为1 - - 5 v 的标 准电压信号后送入到测控系统，温度转换器采集到的系统油温信号经过处理后也 接入数据采集系统。测控系统2 2 可以同时输出控制信号，其输出的模拟电压信号 经d a 输出端口，通过信号调理后成为变频器的电压控制信号和比例方向阀的控 制信号以及比例溢流阀的控制信号用以调节马达的转速和模拟负载的大小。 2 1 2 变转速液压系统的主要元件介绍 该变转速泵控马达调速系统可以分为液压元器件、电气元件以及相关测试仪 器仪表。 1 液压元件 实验系统的液压部分主要包括主回路与加载回路组成( 见图4 实验系统原理 图) 。主回路部分主要包括主泵，马达，安全阀，换向阀等等。加载回路中主要是 包括了加载泵，比例溢流阀，安全阀和单向阀等等。加载回路是一个闭式系统， 还包括有补油泵。主回路中的马达通过联轴节惯性轮一联轴节和加载泵相连。 液压系统的主回路压力取决于加载回路中所加的负载发小，所加的负载大小由比 例溢流阀调定。 - 1 ) 主泵和马达 主泵为手动变量柱塞泵，型号为6 3 s c y l 4 - - 1 b 。马达为摆线马达，型号是 b m - - e 3 1 5 ，排量为3 1 2 m l r ，额定压差为1 6 m p a ，额定转矩为6 7 5 n m ，额定 功率为2 2 k w ，总效率为7 0 。 2 1 比例溢流阀和比例方向阀 比例方向阀用来控制马达和惯量轴正转或反转，调节阀口的开度可以改变马 达转速。比例方向阀采用b o s c h 公司产品，型号：4 w r e l 0 e 2 5 2 x g 2 4 k 3 1 a 1 v 。 比例溢流阀采用b o s c h 公司产品，型号：d b e e l 0 5 1 3 5 0 y g 2 4 n m 3 1 m 。 2 电气元件 1 ) 变频器 一 在变频液压系统中变频器用于调节异步电动机的转速，可以通过变频器上的 按键设置其工作过程中的参数且操作界面上的屏幕能够同时显示实时的电机转 速、电压电流和频率等参数。变频器选用的是a b b 公司的变频调速器。型号为 a c s s 0 0 0 1 0 0 7 0 3 + p 9 0 1 。a c s 8 0 0 系列传动产品的最大优点是能够在全功率范围 内统一使用相同控制技术，比如启动向导，自定义编程，直接转矩控制，通用备 安徽理工大学硕士学位论文 件，通用接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件。 2 ) 异步电机 电机选用的是异步三相电机，型号：y v p 2 5 0 m - 4 ，极数为4 ，额定扭矩 3 5 0 n m ，恒转矩调速是5 - - - 5 0 i - i z ，恒功率调速是5 - - 1 0 0 h z 。，标称功率是5 5 k w ， 标称电流是1 0 7 5 a ，标称电压是3 8 0 v 。 3 相关测试仪器仪表 1 ) 压力传感器 系统中采用的压力传感器为k b r i g h t 公司的k e l l e r 压阻式压力传感器，这 种传感器具有高精度型与稳定性，可用于较高要求的工业场合，例如、液压控制， 空气压缩机，真空泵等。采用高稳定性测量组件，具备微小迟滞、良好线性度、 高输出、长寿命等特点。温度因素对该传感器的影响较小，在使用温度是2 0 8 0 的情况下，总误差范围包括线性、迟滞、重复性、零点量程偏差和温度影响为 2 5 典型4 最大。 变频液压系统中共有四处安装有压力传感器，具体分布如图5 所示。 压力传感器1 乐力传感器2 压力传感器3 、4 图5 压力传惑器安装图 f i g 5i n s t a l l a t i o no fp r e s s u r esensor。， 传感器分布如下：传感器1 安装在主泵出口处，用以测量主泵出口的系统压 力；压力传感器2 安装在马达的进口处，用以测量马达的进口的压力；压力传感 2 变转速泵控马达调速系统介绍 器3 和4 分别安装在加载回路的高压侧和低压侧，用以测量加载回路的高压腔和 低压腔的压力【2 1 1 。如图5 所示。 2 ) 测转速传感器 在变频调速系统中用于测量电机转速的是转矩转速传感器和配套的转矩转速 仪，而用于测量马达转速的是光电脉冲编码器。 ( 1 ) 增量型光电编码器 变频液压系统中用于测控马达转速的光电编码