（机械电子工程专业论文）基于rc控制器的tq230全液压推土机行驶控制系统研究.pdf

摘要 本文收集整理了国内外全液压推土机研究的相关文献资料，根据国内外全液 压推土机的研究现状、发展趋势和前沿技术，对推土机行驶驱动液压系统进行了 综合分析，提出了行驶系统控制方案；并利用改进的p i d 控制器对全液压推土机 的行驶控制系统算法进行了探讨，尤其针对推土机恒功率控制时发动机的转速下 降问题设计了相应的调节方法：用r c 6 - 9 和d 1 2 i o 作为系统的控制器和显示器， 完成了控制器的硬件设计，利用b o d a s 软件完成了控制系统的部分软件设计。在 实验方面，设计并制作了工程机械控制系统模拟试验板，并在此基础上通过多次 的程序调试与试验，完成全液压推土机的前进后退、停车、起步、左右转向及 原地转向等功能的模拟实验，证实了此系统的可行性，并提出了进一步的改进方 案和措施。 关键词：全液压推土机行驶液压系统r c 控制器b o d a s 软件 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o l l e c t sa n ds o r t so u tt h ed a t aa b o u tf u l lh y d r a u l i cb u l l d o z e rb o t h h o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n , t h ed e v e l o p m e n tt r e n d a n dt h el a s t i n gt e c h n o l o g y , t h eh y d r a u l i cd r i v et r a v e l i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi s a n a l y z e d t h ec o n t r o l l i n gp r o j e c to ft r a v e l i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d t h ea r i t h m e t i co f t h eh y d r a u l i cd r i v et r a v e l i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e db yu s i n gt h e i m p r o v e dp i dc o n t r o l l e r e s p e c i a l l yt h em e t h o do fa d j u s ti sw o r k e do u tt oi m p r o v e t h ed e c e l e r a t i o no ft h ee n g i n ed u r i n gt h ec o n s t a n tp o w e rc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l l e r h a r d w a r ei sd e s i g n e db yu s i n gt h ec o n t r o l l e rr c 6 - 9a n dt h ed i s p l a y e rd 1 2 1 0 t h e p r o g r a mc o d ei sc o m p l i e du s i n gb o d a s s o f t w a r e a tl a s t , t h es i m u l a t i o nt e s td e v i c e o fc o n t r o l l i n gs y s t e mo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi sd e s i g n e da n dm a d ei nt h i sp a p e r t h ef u n c t i o na n dp r o p e r t yo ft h ec o n t r o l l e ri sv e r i f i e da n da d j u s t e db yt h ee x p e r i m e n t s h a d d i t i o n , t h ei m p r o v e dm e t h o d sa r eg i v e n k e yw o r d s ：f u l lh y d r a u l i cb u l l d o z e rh y d r a u l i cd r i v et r a v e l i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e m c o n t r o l l e rr c s o f t w a r eb o d a s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：、乏了务 硝年中月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： g 协 锄猢。领、 劢年咱7 日 9 加6 年9 月日 第1 章绪论 1 1 全液压推土机行驶控制系统研究的背景及意义 当前，工程机械向小型化及微型化方向发展的趋势和静液压传动的普遍应 用，以及微电子技术、通信技术的不断进步为智能化工程机械的发展提供了良好 的时机。特别是静液压传动技术的快速发展大大推动了工程机械的智能化进程。 静液压传动主要有以下几个优点：传动效率高，液压传动的传动效率比液力 机械传动高出十几个百分点：在同等功率下，液压装置的体积小，质量轻，结构 紧凑；液压装置工作比较平稳；液压传动能在较大范围内实现无级调速，它还可 以在运行的过程中进行调速；液压传动实现直线运动远比机械传动简单；液压装 置易于实现过载保护；由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系 统的设计、制造和使用都比较方便；液压传动易于实现自动化，这是因为它对液 体压力、流量和流动方向易于进行调节或控制，当将液压控制和电气控制、电子 控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受 远程控制；采用静液压传动后，泵与马达基本上都是变量的，且泵的出油方向可 变，不但传动效率比液力机械传动高，而且还可非常方便地实现电液变速操纵的 电子控制，可与动力分配很好地配合，保证在各种速度下得到尽可能大的牵引力， 达到最佳的高效节能效果。静液压传动这些优异的特性为工程机械的智能化奠定 了基础m 翻咖跚。 1 1 1 全液压推土机的特点 传统的机械式、液力机械式推土机的操作繁琐，劳动强度大、生产效率低、 系统故障多等缺点以致其不能很好的满足生产作业的要求。全液压推土机具有机 械传动和液力传动无法比拟的优势，不仅可以取得与液力机械传动相比更加优越 的牵引性能，同时可以便捷地实现推土机智能化、节能化、环保化，故在推土机 上采用液压传动技术，逐步成为技术竞争的焦点和发展的主流。全液压推土机主 要特点有嘲； ( 1 ) 全液压推土机结构简单，较传统的履带式推土机减少不少部件，如动 力换档变速器、变矩器、转向离合器和转向制动器等，故大大简化了结构、缩短 维修时间。 ( 2 ) 通过对发动机转速的监测进行行走液压泵电子调节，充分利用发动机 的功率，防止发动机的超载。 ( 3 ) 全液压推土机生产效率高，机动性好。由于其每条履带都是由电子控 制的变量柱塞马达单独驱动，不需要齿轮换档，可以减轻操作人员的劳动强度， 改善推土机作业的经济性和动力性，节省了维修保养时间。双泵双马达的液压系 统结构，可轻松实现推土机行驶速度的无极变速和原地转向，提高了机器的机动 性。 1 1 2 全液压推土机行驶控制系统研究的国内外发展现状 二十世纪八十年代液压传动作为大功率的牵引传动还很不完善，随着时间的 推移，在世界范围内新技术革命对传统机械工业的改造与渗透日益加强，使得液 压技术得到了迅速发展。在工程机械行业内，大量不以牵引功能而以恒速调节为 主要功能的路面与压实机械几乎全面采用了液压传动和液压控制技术，同时对于 以牵引功能为主的铲土运输机械，传统的液力机械传动出现了被液压传动取代的 趋势，特别在功率在2 0 0 k w 以下中小型铲土运输机械，电液控制技术应用及智 能控制研究已取得了一些成就脚御砌。 1 国内研究现状 国内非全液压履带式推土机已初步形成一定生产研制水平，且有了长足的进 步，但在静液压推土机研究上，国内还处于研发起步阶段，与世界先进水平相比 还有较大差距国内有鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心正在从事静液压 推土机电液控制系统和静液压推土机大流量、高压力变量泵、变量马达研制工作， 其在1 9 9 6 年与德国l i e b h e r r 公司合作开发全液压推土机，并引进了三个系列多 种规格l i e b h e r r 推土机制造技术。宣化工程机械厂在研究静液传动技术在履带 推土机上的应用；黄河工程机械集团技术中心也正在从事静液传动技术研究与应 用。由于缺乏理论支持，国内各厂家生产的全液压推土机整机性能往往不能满足 推土机作业要求，其动力性和经济性与国外差距甚远。近年来，三一重工最新研 制开发的t q l 6 0 、t q 2 3 0 、t q 2 3 0 h 全液压推土机，填补了国产推土机在这一领域 的空白，代表了国内推土机的发展方向。 2 国外研究现状 随着液压技术和计算机控制技术的不断发展进步，为液压传动赋予了完美的 特性与巨大的生命力。特别是近十年来，在装载机、沥青摊铺机、混凝土摊铺机、 混凝土搅拌运送车、振动压路机与建筑机械特别是小型工程机械的静液化得到了 迅速发展。如日本小型装载机几乎完全实现了静液化。对于静液压推土机，国外 主要研发商有l i e b h e r r 、j o h nd e e r e 、n e wh o l l a n d 、c a t e r p i l l a r 、日本小松 等公司。 德国l i e b h e r r 是世界上静液压推土机的重要生产商和研究商，其p r 系列推 土机传动每侧履带分别由一个双向斜盘变量泵和一个变量马达闭式回路驱动，液 压泵与发动机的飞轮分动箱相连接，液压马达直接与履带终传动减速器相连接， 采用转速感应功率控制系统使推土机的行走速度与牵引力可实现无级调节，其底 盘设计采用柔性可摆动的底盘形式，提高了推土机对工作场地的适应能力和通过 性能，其操作方式采用单手柄控制前进、后退、转向和制动，可实现无级变速。 发动机转速由电子油门和转速感应装置联合控制，l i t r o n i c 电子智能装置则对 整个系统和液压装置进行自动控制。 j o h nd e e r e 公司开发了建设、林业、园艺工程用h 系列静液压推土机，取 代了1 3 4 k w 以下的g 系列履带推土机，h 系列标准型为4 5 0 ，它装备加长履带， 接地比压较低；动力采用非增压或增压型4 缸柴油机；采用液压变速装置，用单 手柄完成操纵和转向控制，可实现无级变速。电子智能装置对整个系统和液压装 置进行自动控制。 7 n e wh o l l a n d 公司也是世界上静液压推土机的重要生产商和研究商。它的产 品装备长履带，低重心。带有减速器的静液传动使得动力能适应推土机转向，能 改善推土机直线和斜坡推土能力 9 0 年代末，日本小松首次在小松d 1 5 5 a x - 3 推土机使用h m t ( h y d r o - m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 液压机械传动，它由机械传动、液压传动、 动力合成三部分组成，发动机输出动力由分动箱分成两路，一路作为机械力，通 过离合器直接传给行星架；另一路作液压动力，通过液压传动传给太阳轮，然后 动力经差动轮合成后由齿圈输出，可实现在l 档工作时采用液压传动，使推土机 原地启动平稳，发动机性能好，在其它档工作时，由于机械和液压传动相结合， 可实现在很大转速范围内无级变速，电子控制系统由信号输入传感器、电子控制 器执行元件三部分组成，结合元件换挡控制，可实现发动机恒速控制。 。 1 1 3 全液压推土机行驶系统研究的意义 对于推土机这类牵引型机械一般无作业质量的要求，也不要求工作的稳定 性，但追求速度与负荷之间的自适应协调能力( 这种能力的实现主要依赖于行驶 控制系统的性能) ，目的是为了充分利用发动机的功率，提高作业生产率，降低 比油耗，即追求动力性、经济性、作业生产率。它的作业方式属典型的循环牵引 方式，其作业工况十分复杂、载荷变化频繁且范围较宽，它一般分为铲掘工况， 3 运土工况、卸土工况以及倒退工况。操作人员在作业中要操作的机构较多，无瑕 根据负载的大小来调节发动机油门的大小，往往使发动机油门处于固定位置，因 而造成大量的能量损失和机械损耗。铲掘工况时，推土阻力很大，发动机往往在 最大扭矩附近工作，造成发动机功率的损失，运土和卸土工况时推土阻力比铲掘 工况略小一些，但也会造成发动机功率的损失。倒退工况时，推土阻力很小，往 往要求机器具有较高的速度和较低的油耗，虽然发动机功率损失很小，但比油耗 较大。所以，推土机行驶驱动系统及行驶控制系统的性能是影响推土机作业性能 发挥的重要因素，决定着作业生产率的高低 在静液压推土机研究上，国内还处于研发起步阶段，与世界先进水平相比还 有较大差距。作为全液压推土机研制的核心环节，行驶控制系统更为国外所垄断。 目前国外在传动系统的控制方面的研究都是针对系统中的关键元件、关键问题， 大都以专利的形式出现，如传动装置的恒速控制、自适应控制等。国外一些著名 液压元件生产厂家；如b o s c h - - r e x r o t h 公司、s a u e r - - s u n d s t r a n d 公司、p a r l 公司、v i c k e 璐公司等都以系统的形式推荐给国内用户使用。而国内在该方面的 研究很少，主要是整机引进或液压系统成套引进，对国外深层次的技术问题理解 的不够深刻。因此对于全液压推土机行驶驱动系统的研究具有积极的意义 1 2 本文研究的主要内容 三一重工股份有限公司开发的小功率全液压推土机取得了圆满成功后，开始 了大功率全液压推土机的生产制造。本文是课题。全液压推土机”的一部分，在 论文全液压推土机行驶静压驱动系统研究中对全液压推土机行驶控制及传动 方案进行了研究，建立了行驶驱动系统的动态特性数学模型并对其进行了仿真。 本文将在前期工作的基础上，对推土机控制模式和控制方案进行探讨，依据控制 规律，选择控制算法，并设计出具体的控制器，最后对控制器进行实验研究 本论文旨在根据全液压推土机行驶系统的控制要求，利用德国博世力士乐公 司生产的r c 6 9 控制器实现对液压推土机行驶系统的控制。本文的研究内容主要 有以下几点： 。 1 收集和整理与国内外全液压推土机行驶控制系统研究的相关资料，分析 推土机行驶系统的控制要求。 2 分析全液压推土机行驶系统特点，提出具体的控制模式和控制方案，选 择合适的控制器。 3 利用改进的p i d 控制对全液压推土机的行驶控制系统算法进行了探讨， 4 尤其针对恒功率控制推土机发动机的转速下降问题设计了相应的调节方法，实现 推土机各项基本控制功能。 4 完成控制器选型，控制系统硬件设计。 5 完成控制器的软件设计。 6 完成模拟试验板的制作，进行相关的实验研究。 最后在总结本课题研究结果的基础上，提出了进一步完善的设想。 5 第2 章全液压推土机控制系统组成及控制流程 2 1 全液压推土机控制系统的功能及要求 2 1 1 控制方案的确定 1 液压行驶驱动系统的组成 图2 1 为全液压推土机行驶液压系统驱动回路。由变量泵变量马达组成 闭式变量液压系统，且为双泵双马达组成的左右独立驱动回路。这样，两边回 路进行统一控制，既可联动实现车辆的前进、后退及相应的速度改变，又可分别 动作，实现不同半径的转向或原地转向m m 叫“。 图2 1 全液压推土机行驶系统图 全液压推土机动力传递方式为：发动机经分动箱带动左、右变量泵，经左、 右变量马达后传递至轮边减速装置，经减速后驱动左、右履带使推土机行走其 整个动力传遵尊华枣罔毛2 廖示： 一左变量泵h 左变量马达卜_ 左减速装置h 左驱动轮 发 分 动动 机 箱 叫右变量泵h 右变量马达h 右减速装置h 右驱动轮 2 控制方式的选择 图2 2 全液压推土机行驶驱动系统传动方案 6 对于工程机械液压控制系统中，对于流量、压力及液流方向既可以利用相应 的阀进行控制( 阀控系统) ，也可以采用改变变量泵的排量对执行元件进行控制， 或者定量泵供油而改变变量马达的排量实现控制( 泵控系统) 。1 。阀控系统动 态响应快，但耗能大，多用于响应较快的小功率系统。泵控系统动态响应较慢， 但节能效果好，多用于快速性要求一般，功率较大的系统。根据上述两种控制方 式的特点，全液压推土机采用泵控系统，通过电液节流控制元件对液压泵和液压 马达的排量进行控制。 常用的泵控系统方式包括液控、电控和电液复合控制等，各种方式根据其不 同的控制特点应用到不同的场合全液压推土机作为典型牵引型机械，其行驶驱 动系统全部承受工作装置的变化剧烈、波动大的非平稳随机负荷。控制系统不仅 应适应这种载荷特点，使推土机各部分性能得以充分发挥、整个系统达到匹配， 还要以提高系统的效率和生产率为控制目的。因此我们确定全液压推土机行驶驱 动液压系统控制方式为电控，即变量泵和变量马达均采用电液比例控制方式，其 控制原理如图2 3 所示。 4 图2 3 行驶静压驱动系统控制原理图 在对行驶速度和平稳性有一定要求的大型行驶机械上使用电液比例控制方 案还有以下优点： ( 1 ) 牵引性能比较好，有较大的牵引力和牵引功率，较好的牵引效率，所以采 用这种方案的推土机作业能力强、经济性能好 ( 2 ) 通过性比较好，主要表现在有大的爬坡角，转向性能好，稳定性好。这样 推土机就有较好的爬坡能力，在行驶中转向阻力比较小，在平地作业中不发生抬 头及翘尾现象，以及在坡道上有抵抗倾翻、滑移，侧滑的能力。 ( 3 ) 操作性能比较好，这种方案可以达到比较精确的控制，并且智能化程度高。 7 这样可提高作业效率，使司机不易疲劳。 ( 4 ) 信号传送速度、响应速度快，检测精度高。 2 1 2 控制系统实现的功能 推土机主要是完成推运土作业的，载荷波动大，它不要求作业的恒定性，但 追求速度与负荷间的自适应协调能力，所以它对速度的恒定性要求不是很高。全 液压推土机控制系统的核心是行驶控制，其中包括：行驶操纵、行驶纠偏、原地 转向等控制功能模块。此外控制系统还具有故障诊断、显示、外部通信等功能 下面详细分析控制系统的功能嘲m 儿1 蚰埘。 1 行驶操纵 推土机的前进、后退、转向和换档操作集成于一个行驶操纵手柄，行驶手柄 上设有增速按钮、减速按钮和倒车报警屏蔽解除按钮其行驶及转向传感器为 两个方向正交的电位计，分别向控制器提供前一后、左一右两个模拟信号，控制 器根据此：信号及档位信息计算后产生六路p 吼信号，分别调节左、右行驶泵比 例阀和左、右马达比例阀，以改变泵及马达的输出排量及方向，从而实现行驶方 向和速度的控制。 2 直线纠偏 行走液压系统采用左、右两个独立的闭式回路，由于两边泵和马达在流量特 性上存在差异，所以左右行走马达的输出转速可能不一致，这种状况会造成直线 行驶跑偏控制器根据左右马达输出速度传感器检测到的马达速度信号，计算出 其差值，然后分别调节左右行走马达比例阀电流，调整排量，使左右马达的输出 转速保持同步而达到直线行驶的目的。 3 t 原地转向 原地转向时要求两侧履带同时反向运动，控制器根据行驶手柄信号控制行驶 泵比例阀的电流，改变左右泵的高压腔从而改变马达的转速方向完成这一动作。 4 恒功率调节 恒功率调节，是指当外负荷变化时引起液压系统压力变化，改变泵的排量适 应其变化，使发动机的功率充分发挥并且燃油性最好当机器在铲掘工况时，遇 到大的负荷，液压系统压力的增加导致泵的驱动扭矩增加，当泵所需的驱动扭矩 大于发动机飞轮输出的扭矩时，会引起发动机掉速；如泵所需驱动扭矩继续增加 大于发动机最大扭矩点的扭矩时，将导致发动机熄火。控制器设定当前油门状态 下的发动机转速，当负荷增加致使发动机转速下降时，根据发动机转速传感器送 8 来的信号，计算实际转速与此时对应油门开度下的设定转速差值，调节行驶泵比 例阀电流，减小泵排量而使泵的驱动力减小，使发动机转速回升，反之亦然。这 样使发动机工作在最佳转速范围内并使输出功率恒定。 5 故障诊断 故障诊断可以在线实时地了解系统的运行状况，判断出故障的部位和原因， 并能在一定程度上预测出液压系统未来的工作性能。控制器加电开始工作时，进 行t l 检功能过后，能将自检的结果显示出来，包括一些错误信息和系统状态正常 的信息。 6 显示 为了简化操作，人机合一，使操作人员实时掌握系统的工作状态，数字式控 制器不仅要反映系统的基本功能，而且应具备良好的人机界面和交互方式。显示 功能完成机器主要参数的显示、功能显示以及故障显示等。 “ 7 通信+ 通信主要实现主控制器与其它控制器间以及上位机的通信( c a n 总线接口， r s 4 8 5 2 3 2 通信接口) 。能通过r s - - 2 3 2 接口与上位机p c 进行通信，实现在调试 阶段一些重要参数的修改功能，还能通过c a n 总线控制器将各种传感器( 压力、 温度) 的检测信号准确传送到主控制器里，然后在主控制器里对各种信号进行处 理。 其中，行走控制系统功能的要点为： t ( 1 ) 制动， 按下制动按钮：机器立即进入制动状态( 行驶泵斜盘回零、制动器闭锁) ， 机器停止行走；再次按下制动解除。 ( 2 ) 前进后退控制 行驶操纵手柄向前推：前进，且幅度越大速度越快；向后拉：后退，且幅度 越大速度越快；行走操作手柄回零位，速度为零； ( 3 ) 转向控制 向左朝前扳：前进左转弯：向右朝前扳：前进右转弯；向左朝后扳：后退右 转弯，向左扳至最大，原地左转；向右朝后扳：后退左转弯，向右扳至最大。原 地右转； ( 4 ) 速度档位控制： 设4 个速度档，l 档为最低速，对应最大油门速度l l m h ；4 档为最高速， 9 对应最大油门速度7 8 k m h ；车速低于2 档时，指示慢速，高于3 档时，指示高 速；行驶手柄往前推时，按加、减速按钮，设定的是前进档位；行驶手柄往后拉 时，按加、减速按钮，设定的是后退档位；改变档位必须行驶手柄离开中位( 即 机器在行进中) ，每按一次加速或减速按钮，档位增加或减少一档；1 2 档变档 时，通过调节泵排量变速，此时马达始终位于最大排量位置；4 档变档时，通过 调节马达排量变速，此时泵始终位于最大排量位置 ( 4 ) 倒车报警 倒车报警屏蔽解除按钮按下，打开倒车报警器，再次按下，关闭倒车报警 器的声音。 本论文主要完成行走操纵、行驶纠偏以及原地转向等功能。 2 2 全液压推土机控制方案设计 2 2 1 全液压推土机控制方案的设计思路 全液压推土机的传动系统为双泵一双马达结构，在控制系统设计时，通过泵 和马达不同工作状态的组合，可以使机械获得不同的牵引特性，同时也能很方便 地实现车辆的无级调速及微动行驶，使车辆柔和起步，并能进行快速变速和无冲 击变换行驶方向；且能使发动机在低转速下有良好的负荷特性，即车辆在发动机 低转速时也能发挥出最大牵引力； 液压传动易实现车辆左右履带独立驱动，可进行复合动力转向和原地转向， 这使车辆能适应各种作业的需要。用一个操纵杆完成车辆的前进后退和转向的控 制； 全液压推土机行驶控制系统的主要功能就是要将液压传动的优势充分发挥 出来，根据外载荷调整发动机、泵和马达的参数，确定参数的合理匹配点，使机 器在任何状态下都能获得最佳的动力输出，提高推土机的作业效率，同时简化驾 驶员的操作，通过友好的人机界面，驾驶员只需提出作业要求，控制系统会自动 选择算法，不但灵活简便同时还能保证作业的精度； 。 推土机的作业环境恶劣、载荷波动大，为此有必要对作业过程中的重要参数 进行实时监测? 以便随时了解各部件的工作状态，并积累操作经验，为进一步的 理论研究提供依据； 故障诊断系统可根据监测到的各参数数据帮助驾驶员判断故障类型和位置， 并能根据历史数据对将来可能发生的故障做出预测，从而大大缩短故障维修时 间，保证作业顺利完成。 为实现上述功能将全液压推土机控制系统分成行走控制( 转向控制，速度控 制、直线行走纠偏等) 、工作装置控制、故障诊断、显示、通信等模块。如图2 4 所示： 图2 4 全液压推土机控制系统功能模块图 2 2 2 主控制器的选择 行驶主控制器的选择是行驶控制方案的一个重要环节，它直接影响到行驶控 制系统的性能。满足推土机使用功能要求的主控制器的选择范围有高性能单片 机、可编程控制器( p l c ) 、数字信号处理( d s p ) 以及r c 系列控制器等，这几种 形式各有优缺点。 1 可编程控制器( p l c )， p l c 是专门为顺序生产过程而设计的控制器，它替代传统的继电器，具有很 强的时序性而且抗干扰能力强，因为p l c 是专门用于工业现场环境，在抗于扰 能力方面优越于单片机系统与电磁阀连接容易，因为p l c 的输出形式为数字脉 冲形式，可以通过开关量输出组件输出电平信号省去了d a 转换，直接驱动电磁 阀、电磁继电器和电磁开关等；同时可以大量节省外围驱动电路。虽然目前推土 机广泛应用电磁阀，为p l c 的应用提供了方便。但是，p l c 仍难以完成推土机的 某些控制，因为p l c 是一种时序性很强的步序式控制器，其计算能力不是很强， 1 1 这就限制了一些控制方案的实现。虽然最近也出现了一些具有较强计算能力的 p l c ，但其本质并没有脱离原来的特点，仍基于循环扫描和程序执行方式，往往 影响计算速度。 2 e p e c 控制器川“” e p e c 控制器是芬兰e p e c 公司生产的面向工程施工机械的专业控制器，它经 过了严格的防护等级测试，能够适应工程机械的恶劣工况。控制器的工作原理与 普通的可编程逻辑控制器p l c 的工作原理是一样的，可以这样说，它是一种能适 应恶劣工况的可编程逻辑控制器即特种p l c 。e p e c 控制器采用4 8 6 处理器，8 m b 闪存。多达5 2 个i o 接口，每个i o 的功能组态由模块型号而定，通讯方面采 用2 个c a n 接口和r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口。e p e c 控制器具有坚固、低噪音、小巧、 防水、低电磁干扰等特点，是工程机械较为理想的控制器。 3 r c 系列控制器n 6 】【l 加” 、 作为m c 系列控制器的换代产品，r c 系列控制器是德国b o s c h - r e x r o t h 公司 是专为行走机械开发的专用控制器，并满足诸如环境温度、防水、防震及抗电磁 干扰( e j l l ，) 的相应防护要求此类控制器的主要特点是：通过高效的1 6 位处理 器具有高计算速度和极短的程序循环时间；良好的电磁兼容性( e 吖) ：高可靠性； 电磁铁电流p 删输出，滞后小；电磁铁电流经过调节，即与电压和温度无关；通 过编程实现转用功能。 此外还有单片机、d s p 等可供选择，由于它们的开发周期较长，而且推土机 恶劣的工作环境使其的工作可靠性不高，不能很好地满足设计要求。 通过分析和比较价格、信号处理能力，考虑到全液压推土机的行驶液压系统 的泵，马达均为力士乐公司产品，为保证系统的兼容性，因此选择价格适中、信 号处理能力较强，技术十分成熟的r c 控制器作为主控制器。 2 2 3 控制系统组成 1 r c 控制器特性嘲川埘 在工程机械领域，德国博世力士乐( b o s c h r e x r o t h ) 公司是一家专门从事 液压元件生产及与液压元件相配套的电子控制器件生产的知名厂商r c 微控制 器其专为行走机械开发的，是同类产品中功能较为完善、运用最为广泛的专用控 制器件。主要特点有：。 一适用于行走机械的控制； 一高集成性：将a d 转换器、接口控制器、接口驱动器等都集成在控制器 的内部： 一高可靠性：内置监测软件，一旦控制器出现重大故障，则锁住所有的输出， 并能自动采取相应的措施；内置硬件监测电路，可对输入输出口进行错误 检测；具有必要的输入输出保护电路： 一r c 控制器专用编程软件b o d a s 为用户提供了一个方便、友好的编程环 境； 一满足诸如环境温度、防水、防震及抗电磁干扰的相应防护要求：可长时间 在一加+ 8 5 温度范围内工作；采用双层铝壳封装，防止任何的水、 灰尘进入到控制器内部，保护等级高达w 6 5 ( 包括接头在内1 ；电磁兼容性 为1 0 0 v h ； 一输入端处理来自诸如电位器、压力传感器、转速传感器或开关的信号，并 为传感器提供o 5 v 、0 2 ( h n a 的电源；输出端提供直接控制比例电磁 铁的调节电流和诸如继电器、开关电磁铁和指示灯等的开关电流； 一既可用于液压器件的闭环控制又可用于液压器件的开环控制； 一带有c a n b u s 总线接口。 r c 微控制器采用西门子高效1 6 位微处理器c 1 6 7 ，硬件分为r c 2 2 、r c 4 4 、 r c 6 9 三大类，三者之间输入、输出i 0 点数及内部存储器容量大小有所不同。 通过安装不同的控制软件，可应用于摊铺机、铣刨机、挖掘机、履带式推土机、 清扫车等各种工程机械。 根据全液压推土机控制要求，我们选择r c 6 - 9 作为主控制器。r c f r 9 型控制 器内含4 mb i tf l a s h - e p r o m 、1 6 kb i te e p r o m 、l mb i tr a m ，采用1 2 v 或2 4 v 直流供电，输入部分由5 路转速输入端、8 路电位计输入端、4 路电流输入端和 8 路开关量输入端组成。在设计中如果开关量输入端口数量不够，可将模拟量输 入端和高速脉冲输入端转换成开关量输入端，能够灵活的满足各种工程机械的行 走电控设计要求；输出部分由6 路p w m 比例电磁铁输出端、9 路开关量电磁铁( 或 继电器、指示灯) 输出端、1 路o 5 v 模拟量信号输出组成；通过其r s 2 3 2 串行 接口可与髓一3 专用编程器或便携p c 机( 使用力士乐的b o d e m 软件) 进行数据通 讯，完成参数设定、数据监控、系统调试、故障查询等功能；控制器还具有c a n - b u s 总线接口，可与多个r c 控制器或其他具有c a n - b u s 总线接口的设备进行据通讯， 实现实时远程监控、群控及智能化控制等功能。图2 5 为r c 6 9 控制器模块示 意图。 图2 5r c 6 - 9 控制器模块不意图 2 控制系统的硬件结构 本系统以两个r c 6 9 控制器和一个d 1 2 显示器为核心( 如图2 6 所示) ，两 个控制器主要完成对各种信号的分析处理，对行驶系统和工作系统进行控制，并 将部分处理结果发送给d 1 2 显示器。d 1 2 显示器能将推土机作业过程中的主要参 数、运行状态及故障等信息以图形、汉字等方式显示于显示屏上。主、从控制器 及显示器之间的通信通过c a n - b u s 总线来实现，以保证整个系统的实时性和准确 性 ： 1 4 图2 6 控制系统的总体结构 3 控制系统的主要工作原理 全液压推土机控制系统的核心是行驶控制，其中包括：行驶操纵、自动换档、 行驶纠偏、恒功率调节、原地转向等控制功能模块其主要的输入信号有： ( 1 ) 模拟量：行驶手柄电位器( 设定行驶方向及速度的大小) 、转向电位器( 设定 转向方向及转向半径) 。 ( 2 ) 开关量：功率模式选择开关、紧急制动开关、增档按钮、减档按钮、倒车 报警屏蔽解除按钮等。 ( 3 ) 脉冲量：发动机转速以及两马达转速信号。 主要的输出信号有： ( 4 ) p w m 信号：6 路脉宽调制p w m 信号分别控制左右泵和左右马达。 ( 5 ) 开关量：制动开关电磁阀、倒车报警、故障报警。 行驶系统的工作原理见图2 7 。r c 6 - 9 微控制器通过6 路脉宽调制p 咖信号 实现对左右泵和左右马达排量的分别控制。 图2 7 全液压推土机行驶电控系统框图 2 3r c 6 - 9 控制器工作原理“州川“” 当控制程序开始运行时，首先要进行输入输出初始化，即在程序开始运行时 要先将输入输出全部置零，这是为了安全起见而采取的措施。输入输出初始化完 成之后，如此时的控制系统是单控制器系统那么控制器便进入到运行状态。如果 此时的控制系统是由多个控制器组网而形成的控制系统，那么在输入输出初始化 之后还要进行网络初始化，只有在网络初始化之后系统中各个控制器才会按照相 关的通讯协议进行毅据传输。就本控制系统而言，控制器之间通讯遵循c a n o p e n 通讯协议，所以在输入输出初始化之后要进行c a n o p e n 初始化。为了保持工作的 同步性，控制器之间还要进行心跳检测，每个控制器都要通过总线发送自己的心 跳信号同时接受其他控制器发送的心跳信号，通过比较各个控制器的心跳是否一 致来判断控制器之间的通讯是否正常。之后控制器进入循环扫描运行状态，按照 1 6 扫描周期更新输入数据、执行用户程序并进行输出刷新。程序流程如图2 8 所示。 图2 8 程序流程 与普通p c 机不一样，r c 6 - 9 采用循环扫描的工作方式。运行状态下的工作 过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段完成 上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，r c 6 - 9 的c p u 以一定的扫描 速度( 也就是扫描周期) 重复执行上述三个阶段。如图2 9 所示 n 一1 个 描周期 7第n 个扫描周期_- i i 一输入采样 输入采样输出刷新 图2 9 控制器程序扫描过程 1 输入采样阶段 在输入采样阶段，控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将 1 7 它们存入i o 映像区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和 输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i 0 映像区中 的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信 号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入 就全液压推土机控制系统而言，输入采样还包括从c a n 总线上读取的信息。 2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序。 在进行程序扫描时，其扫描顺序总是由左向右，自上而下进行扫描。在程序扫描 完成之后，将相应的运算结果写入i 0 映像区中的相应的单元内，同时将需要通 过c a n 总线传送的数据写入c a n 的输入输出映像寄存器中，即将所要发送的数据 写入i e c 的输出寄存器。在整个用户程序执行过程中，控制器信号输入点包括 c a n 总线上的输入信号在输入输出映像寄存器中的状态和数据不会发生变化，丽 其他输出点和软设备在i o 映像区或系统r a m 存储区内的状态和数据都有可能发 生变化 3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，c p u 按照 i o 映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相 应的外设，同时将已经写入i e c 的输出寄存器中的数据发送到c a n 总线上。这时， 才是控制器的真正输出。 由于r c 6 - 9 控制器采用循环扫描的工作方式，这就要求用户在编写程序时尽 量做到简洁明了，以便所有程序在一个扫描周期内完成。如果程序执行时间超出 扫描周期，b o d a s 在进行编译时会给出错误提示信息。此外，用户在进行编程时 应该尽量避免环语句的使用，以免程序超出扫描周期。 2 4r c 6 _ 9 的针脚分配。 ， 根据全液压推土机控制系统的硬件结构，在本节我们将着重讨论控制器针脚 分配。 。 2 4 1 针脚分配原则 在全液压推土机控制系统中，控制器针脚分配遵循以下原则： ( 1 ) 应使输入控制器的信号的类型和范围与控制器针脚允许使用信号的相匹配， 使被控对象能直接被控制器针脚驱动；尽量避免外接转换和驱动电路，以减小故 障点。 ( 2 ) 同一控制模块中的参量尽量放在同一个控制器中，这样就减少了模块之间 的数据传输，节省总线资源。 ( 3 ) 每个控制器针脚应有1 0 的剩余，以便以后进行针脚调整和功能扩展。 ( 4 ) 当配置系统时需要考虑到系统不能过载； ( 5 ) 由于电气系统由三一重工完成，所以在进行针脚布置时要搞好协调工作。 图2 1 0 为控制器r c 6 9 的针脚接线图 图2 i o 控制器r c 6 - 9 的针脚接线图 2 4 2 行驶控制系统输入输出 全液压推土机控制系统虽然输入输出端口繁多，逻辑关系十分复杂，但从 总体上可以分为两大部分，即行驶控制系统和工作装置控制系统。行驶控制是全 液压推土机控制系统的核心部分，其控制参数表如表2 i 所示 行使控制系统控制参数表表2 1 对应 。信号名称来源类型，变量命名备注 针脚 行驶马达转速传脉冲输 i l e f t r e v s2 4 v d c l o 8 x2 4 v ；传感器 感器信号( 左) 入p i a 3 3 m ) k 1 6 行驶马达转速传脉冲输 i r i g h t r e v s2 4 v d c 0 8 2 4 v ；传感器 ia 4 4 感器信号( 右)入p i h d k l 6 发动机转速传感脉冲输i e n g i n e r e v s a 1 8 器信号入p i 行驶手柄纵向电模拟量 i h o r i p o t i 位计信号输入a i a 3 5 行驶手柄横向电模拟量 i v e r p p o t i 位计信号输入a i a 4 6 模拟量 i y o u m e n 油门位置a 6 3 输入a i 行走系统压力模拟量 i y a l il ( 左m a )输入a i a 8传感器d s r 5 0 0 2 0 ，行走系统压力模拟量 i y a l ir ( 右惦)输入a i a 6 5传感器d s r 5 0 0 2 0 模拟量i y a l ib 7 补油系统压力a 6 4 输入a i 。 机油压力 模拟量 i j i y o u y a l 输入a i b 3 5压力不足时报警 趴， 发动机冷却- 水水模拼量 ， i l e n g q y 诮“ l 。，、l “ “ 3 a温度过高时报警 温输入a i 模拟量i y e y y w d 液压油油箱温度 a 4 5温度过高时报警 输入a i 燃油油量模拟量b 1 9 i r a n y l油量不足时报警 输入a i 模拟量 i s h u i w 水箱水位 b 6 5 水位过低时报警 输入a i 模拟量i y e y y w 液压油油位 b 6 4 油位过低时报警 输入a i 开关量 b i n g e a r 增速按钮 a 3 7 显示 输入d i 开关量 b d e c g e a r 减速按钮 a 4 8显示 输入d i 开关量 b b r a k e 制动按钮 a 1 0显示 输入d i 开关量 b a u t o 恒功率开关 a 1 1显示 输入d i 制动油缸电磁阀开关量 b b r a k e 信号输出d o a 2 9油缸电磁阀通断电 开关量 b b a c k a 倒车报警 a 1 5 输出d o 开关量b w r o n g a 故障报警a 5 输出d 0 开关量 b l q 滤清器阻塞 a 1 2阻塞时报警 输出d o 开关量b l y 滤油器阻塞舢阻塞时报警 输出d o 至左行驶泵前进 脉冲调 i l e f t p u m p a d v 2 4 v d c 2 0 0 6 0 0 m a ：左泵左电 制输出a 3 1 a n c e 电磁阀信号磁铁 阿m 脉冲调i l e f t p u m p b a c 至左行驶泵后退制输出k2 4 v d c 2 0 0 6 0 0 m a ：左泵右电 a 3 0 电磁阀信号 p l m磁铁 至右行驶泵前进 脉冲调 i r i g h t p u m p a d 2 4 v d c 2 0 0 6 0 0 n i a ：右泵左电 制输出a 4v a n c e 电磁阀信号磁铁 p 哪 至右行驶泵后退脉冲调i r i g h t p u m p b a2 4 v d c 2 0 0 f 0 0 m a ；右泵右电 电磁阀信号制输出 a 1 6 c k 磁铁 p 删 脉冲调i l e f t m o t o r 至左行驶马达电制输出 a 6 8 2 4 v d c 2 0 0 6 0 0 m a ； 磁阀信号 p 删 至右行驶马达电 脉冲调 i r i g h t m o t o r 制输出 a 6 9 2 4 v d c 2 0 0 6 0 0 m a ； j磁阀信号 p 删 2 4 3 工作装置控制系统输入输出 工作装置控制系统的控制参数如表2 2 所示 工作装置控制系统控制参数表2 2 对应 信号名称来源类型变量命名备注 针脚 铲刀倾斜锁定按开关量b c h a n d s d 钮输入d i 。a 2 3显示 开关量 b c h a n d f d 铲刀浮动按钮a 6 l 输入d i 模拟量 b c h a n d t s 铲刀提升高度 b 6 3 输入舡 模拟量i