（机械电子工程专业论文）基于工控机和plc的电液比例泵控马达实验台测控系统研究.pdf

摘要 泵控马达系统以其效率高，发热小，寿命长，转动惯量小，响应速度快的优点，适 用于高速、大功率应用，在军用和民用领域均有应用。测控系统在工业生产中起着把关 者和指导者的作用，它从生产现场获取各种参数，运用科学规律和系统工程的做法，综 合有效的利用各种先进技术，通过自控手段和装备，使每个生产环节得到优化，进而保 证生产规范化，提高产品质量，降低成本，满足需要，保证安全生产。随着计算机技术 的迅速发展，将微型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决 的问题，而且还能简化电路、增加或增强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控 系统的自动化、智能化程度。 本文主要任务是对长安大学机电一体化实验室的现有的电液比例压力流量控制系 统实验台的二次开发，使其完成泵控马达系统实验。本文首先介绍了测控的对象泵控马 达实验台的液压部分及其原理，然后根据实验要求基于研华工控机和三菱公司q 6 1 - a 1 型号的p l c 设计搭建了实验的测控系统，并分析研究了工控机、p l c 、各类传感器和各 类比例放大器的工作情况及链接关系。数据的采集和控制信号的加载是测控系统实现的 最主要任务，本文根据数据采集卡p c i 1 7 1 3 的控制操作及工作原理，确定了数据采集 卡各通道与二次仪表的链接关系，基于对模拟量输出卡p c l - 7 2 6 及各比例放大器工作原 理分析，设计搭建了泵控马达系统实验控制电信号加载的硬件部分。最后基于l a b v i e w 虚拟仪器提出了测控软件的设计方案，泵控马达实验平台测控部分能实现多功能多控制 的实验要求，每种控制方式实验采用模块化的软件设计方法，包括三大模块：控制模块， 采集模块以及数据的存储模块，合理的软件设计使搭建的泵控马达实验平台测控系统的 硬件更加完整。 本文设计搭建了完整的泵控马达系统实验平台测控系统的硬件部分，并提出了测控 软件的设计方案，对今后的泵控马达系统实验的后续研究提供了一定的参考意义。 关键字：泵控马达，测控系统，工控机，p l c ，采集卡，模拟量输出卡，l a b v i e w a b s t r a c t p u m p c o n t r o l l e d m o t o rs y s t e m ，d u e t oi t sp e c u l i a r i t i e so fh i g h e f f i c i e n c y , l o wh e a t ，l o n g l i f e s p a n , s m a l lm o m e mo fi n e r t i aa n dq u i c kr e s p o n s e ，i sa p p l i c a b l ef o rt h ef i e l do fh i g hs p e e d a n dh u g ep o w e r f u r t h e r m o r e ，i ti sb o t hi nm i l i t a r ya n dc i v i l i a nf i e l d t h em e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e mi ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni sad i r e c t o r g e t t i n gv a r i o u sf r o mp r o d u c t i o ns i t e ，u s i n gt h e s c i e n t i f i cr u l e sa n dt h ep r a c t i c eo fs y s t e m se n g i n e e r i n g ，i n t e g r a t e da n de f f e c t i v eu s i n gt h e a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t , i to p t i m i z et h ee v e r yl i n ko fp r o d u c t i o nb ys e l f - c o n t r o l m e a n st h e r e b ye n s u r i n gt h es t a n d a r d i z a t i o no fp r o d u c t i o n , i m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t y , r e d u c i n gc o s t s ，s a f ep r o d u c t i o n w i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h e m i c r o - c o m p u t e rt e c h n o l o g yw a st a k e ni n t ot h em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m i tn o to n l yc a l l s o l v et h a tt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t e mc a nn o ts o l v e ，b u ta l s oc a l ls i m p l i f yt h ec i r c u i t ， i n c r e a s eo re n h a n c et h ef u n c t i o n , i m p r o v ec o n t r o lp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y , s i g n i f i c a n t l y e n h a n c et h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e t h ep a p e r sm a s ki st h es e c o n dd e v e l o p m e n ta b o u tt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l p r e s s u r ea n df l o wc o n t r o ls y s t e mo fc h a n g a nu n i v e r s i t ym e c h a t r o n i c sl a b o r a t o r y , t of i n i s h p u m p - c o n t r o l l e d - m o t o re x p e r i m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i cp a r tf i r 瓯 t h e n ，b a s e do na d v a n t e c hi p ca n dm i t s u b i s h ip l cq 6 1 - a 1d e s i g na n db u i l dm e a s u r ea n d c o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei p c ，p l c ，s e n s o r sa n dv a r i o u st y p e so fp r o p o r t i o n a l a m p l i f i e r sw o r ka n d l i n kr e l a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dp c i - 1713 sc o n t r o l o p e r a t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，d e t e r m i n e t h el i n kb e t w e e nd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n d s e c o n d a r yi n s t m m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp l c - 7 2 6a n dp r i n c i p l eo fp r o p o r t i o n a l a m p l i f i e r , e n s u et h ec o n t r o l l i n gs i g n a l sl o a dc o r r e c t l y f i n a l l y , b a s e do nl a b v i e w v i r t u a l i n s t r u m e n tp r o v i d et h es o f t w a r es y s t e md e s i g n t h es o f t w a r ei n c l u d e st h r e em o d u l e s ：t h e c o n t r o l l i n gp a r t ，a c q u i s i t i o np a r ta n dd a t as t o r a g e ，r e a s o n a b l es o f t w a r em a k et h em e a s u r ea n d c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r eo ft h ew h o l ep u m p - c o n t r o l l e d - m o t o rs y s t e mi si n t e g r i t y t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da n db u i l tt h em e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e mh a r d w a r eo f p u m p - c o n t r o l l e d m o t o rs y s t e m ，a n dp r o p o s e ds o f t w a r ed e s i g n t h i sp a p e rw i l lp r o v i d es o m e r e f e r e n c ev a l u et ot h ef o l l o w - u ps t u d yo fp u m p - c o n t r o l l e d - m o t o rs y s t e m i i l k e yw o r d s ：p u m p - c o n t r o l l e d m o t o rs y s t e m ，m e a s u r ea n d c o n t r o l s y s t e m ，i p c ，p l c ， a c q u i s i t i o n , a n a l o go u t p u tc a r d ，l a b v i e w i v 长安大学硕士论文 第一章绪论 1 1 测控系统的分类与组成 人类在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获得客观事物的量 值，这个任务我们称之为“检测 ；另一方面也要采用各种方法支配或约束某一客观事 物的进程结果，这个任务我们称之为“控制。 在科学试验和工业生产过程中，需要对描述被控对象特征的某些参数进行“检测 获得表征他们的有关信息，以便对被测对象进行定性了解和定量掌握。另一方面根据检 测的结果采用一定的策略去“控制 描述被控对象特征的某些参数，稳定、快速、准确 的达到人们预想的目标。 “检测 和“控制是人了认识世界和改造世界的两项工作任务，而测控仪器和系 统则是人类实现这两项任务的工具和手段【l l 。 1 1 1 测控系统的分类 测控系统有多种分类方法，按功能分类，可以分为检测系统、控制系统和测控系统。 1 ) 检测系统 单纯以“检测 为目的的系统，一般用来对被测对象中的一些物理量进行测量并获 得相应的测量数据，又常称为数据采集系统。图1 1 为检测系统原理的结构图，它由下 列功能环节组成。 图1 - 1 监测系统原理结构图 第一章绪论 敏感元件：从被检测对象感受信号，同时产生一个与被测物理量成某种函数关系的 输出量。 变量转换环节：将敏感元件的输出变量做进一步变换，即变换成更适于处理的变量， 并且要求它应当保存原始信号中所包含的全部信息。 变量控制环节：为了完成对检测系统提出的任务，要求用某种方式去控制以某种物 理量表示的信号。这里所说的控制意思是在保持变量物理性质不变的条件下，根据某种 固定的规律，仅仅改变变量的数值。 数据传输环节：当检测系统的几个功能环节被分隔时，必需从一个地方向另一个地 方传输数据。 数据显示环节：有关被测量的信息要想传送给人以完成监视、控制或分析的目的， 则必须将信息变成人的感官能接受的形式。完成这种转换机能的环节称为数据显示环 节。例如数字显示和打印记录。 数据处理环节：检测系统要对测量所得数据进行数据处理。数据处理工作由机器自 动完成，不需要人工进行繁琐的运算。 若系统仅用于生产过程的监测，当安全参数达到极限值时产生显示及声、光报警等 输出，此种系统一般称为监测系统：除监测外还参与一些简单的开关量控制，如断电、 闭锁等，此种系统一般称为监测监控系统，或监控系统。 2 ) 控制系统 单纯以程序控制为目的的系统，其组成框图如图1 2 所示。 图1 2 控制系统原理结构图 这是一种开环控制系统，程序控制的基本思想是将被控对象的动作次序和各类参数 输入控制器，去指挥执行机构按照固定的程序，一步一步的控制被控对象的动作。 2 长安大学硕士论文 3 ) 测控系统 既“测 又“控的系统，依据被控对象被控参数的检测结果，按照人们预期的 目标对被控对象实施控制。 测控系统可认为是有“检测系统 和“控制系统”两部分构成，单纯的“检测系统 或单纯的“控制系统只是“测控系统 的特例。 1 1 2 测控系统的组成 简单的测控系统组成框图如图1 3 所示。 图l 一3 测控系统组成框图 量 被控对象：是指被控制的装置或设备。被控变量( 被控参数) c ( t ) 则是影响系统安 全性、经济型、稳定性的变量( 参数) 。 检测单元：其功能是感受并测出被控变量的大小，变换成控制器所需要的信号形式 y ( o 。一般检测单元为敏感元件、转换元件及信号处理电路组成的传感器，若检测单元 输出的是标准信号，则称检测单元位变送器。 控制器：将检测单元的输出信号y ( t ) 与被控单元的设定值信号x ( t ) 进行比较得出偏 差信号e ( t ) ，根据这个偏差信号的大小按一定的运算规律计算出控制信号u ( o ，然后将控 制信号传送给执行机构。 3 第一章绪论 执行机构：接受控制器发出的控制信号u ( t ) ，直接改变控制变量g ( t ) ，调整被控对 象，是被控变量c ( t ) 回复值设定数值。 在一个测控系统中，上述四部分是最基本的，除此之外，还有一些辅助装置，例如， 给定装置、转换装置、显示仪表等。 1 1 3 测控技术的意义 人类在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获得客观事物的量 值，这个任务我们称之为“测量 ；另一方面也要采用各种方法支配或约束某一客观事 物的进程结果，这个任务我们称之为“控制。“测量 和“控制”是人了认识世界和改 造世界的两项工作任务。 今天，世界正在从工业化时代进入信息化时代，并向知识经济时代迈进这个时代的 特征是以计算机为核心延伸的大脑功能，起着扩展人脑力劳动的作用，是人类正在走出 机械化的过程，进入以物质手段扩展人的感官神经系统及脑力智力的时代。这时，仪器 的作用主要是获取信息，作为智能行动的依据。测控仪器的功能在于用物理、化学或生 物的方法，获取被检测对象运动或变化的信息，通过信息转换的处理，使其成为易于人 们阅读和识别表达( 信息显示、转换和运用) 的量化形式，或进一步信号化、图像化。 通过显示系统，以利于观察、入库存档，或直接进入自动化、智能化运转控制系统。 1 2 论文的内容及背景意义 1 2 1 内容 本文主要是对长安大学机电一体化实验室现有的电液比例压力流量控制系统实验 台的二次开发。以电液比例泵控马达实验平台的测控系统为研究对象，结合液压技术、 测试技术、传感器技术以及计算机技术等，对电液比例泵控马达试验台测控系统的需求 进行分析研究，搭建适和要求的测控系统硬件，并完成相应的软件编制。通过试验数据 的采集、处理和分析，验证测控系统设计的正确性和可靠性。 主要研究内容如下： ( 1 ) 分析电液比例压力流量控制系统实验平台的功能以及对测控系统的要求。 ( 2 ) 选择完成电液比例泵控马达实验所需的测控系统硬件，搭建硬件系统并编制 4 长安大学硕士论文 相应的软件，以保证泵控马达实验所需电信号顺利加载和实验结果数据的正确采集； ( 3 ) 进行试验数据的采集、处理和分析。 1 2 2 背景及意义 建立节约性社会，是国家经济可持续发展的战略性决策。作为工业上应用的驱动设 备，由于技术原因，多以电动和机械传动为主，其缺点是能耗大并且一般效率较低。电 液比例泵控马达作为新的驱动系统，最大的优点就是效率高，其次它与电动和机械传动 性比，具有寿命长，无级调速范围大，工作可靠、高速、平稳，单位功率质量轻的优点。 所以它的进一步研究对经济可持续发展有着深远的意义。 在测控系统中，计算机与通信技术的结合极大地推动了工业自动化的发展，应 用计算机可以轻松地对一个系统进行实时监测，从而提高了员工的工作效率和系 统运行的安全性及可靠性。随着近几年电子技术与通信技术的发展，液压技术已与电 子技术和通信技术紧密结合，使液压技术更完善更方便控制。 本文是对现有试验台的二次开发，构建泵控马达闭式系统的实验平台，使原实验台 的功能得到扩充，能完成闭式液压系统的各种控制功能的模拟实验与理论研究，为我国 大功率控制系统的研究提供了参考意义。 5 第二章电液比例泵控马达系统实验台测控需求分析 第二章电液比例泵控马达系统实验台测控需求分析 2 1 压力流量实验台系统 本文研究的对象是长安大学机电液一体化实验室的比例压力流量控制实验台，此实 验台是一个综合了机械、电控、液压与仪表等个技术的综合性实验台，但目前本实验仅 仅可以实现泵、马达及阀单独的性能实验，而本文是在现有实验台的基础上进行二次开 发，使其可以完成泵控马达实验的测控系统。下面先对现有实验台做以下介绍。 实验台包括两大部分：液压系统和电气系统 2 1 1 压力流量实验台的液压系统 压力流量实验台的液压系统由七部分组成：闭式泵一电机组、辅助泵一电机组、油 箱、泵和马达实验台架、油源接口和比例加载试验台架、阀试验台架。其中的闭式泵一 电机组是进行泵控马达闭式回路实验时提供动力的元件，本文中就是通过控制此变量泵 而达到控制执行元件马达。 2 1 2 压力流量实验台电气系统 本系统主要由动力柜和操作台构成。动力柜主要安装电气系统的动力元件，各台电 机的断路器、接触器、控制变压器、直流电源等。操作台安装有系统的核心控制元件及 人机界面，系统所有试验的进行都是在操作台完成的。电液比例试验台电气系统主要用 于测试液压泵、液压马达主要性能参数，判别液压阀机能及实现液压泵控马达和液压阀 控马达动态实验的高精度控制。该系统能够记录并存储实验中的数据，生成并打印实验 报表及有关曲线。该系统主要由下位机p l c 、上位机和一台管理机组成，三台机器通过 1 0 0 m 交换机构成局域网。p l c 主要控制常规的数字输入输出状态，通过调节电位器， 可以实现手动试验；工控机主要处理全部模拟输入输出量及编码器读数，记录所有相关 数据，完成全部试验；管理机可以查阅和备份有关试验数据，并可打印输出。该系统还 包括十一个压力传感器，八个油温传感器，五个流量传感器，一个转矩转速传感器，八 个比例控制器等重要仪表。所有传感器都有对应的仪表显示数值，同时在计算机上显示。 所有比例控制器既可通过计算机调节，也可通过电位器调节。 6 长安大学硕士论文 2 2 电液比例泵控马达系统实验台介绍 2 2 1 电液比例控制技术 液压控制技术伴随着近代对高精度、快响应的自动控制的需要发展起来的，特别是 随着电子技术的发展，液压控制技术又向电液比例、电液伺服、电液数字等控制技术发 展，在各领域得到广泛的应用。电液比例技术以其接近伺服控制的性能和低廉的成本优 势，越来越深受欢迎。 1 ) 电液比例控制技术含义与内容 电液比例控制系统，通常就是指使用比例控制元件( 比例阀、比例控制泵及比例控 制器) 的液压系统【2 1 。严格的说，比例控制是实现元件或系统的被控制量( 输出) 与控 制量( 输入或指令) 之间线性关系的技术手段，依靠这一手段要保证输出量的大小按确 定的比例随着输出量的变化而变化。电液比例控制的主要构成部件为电液比例控制器， 其主要工作原理是通过采用内部控制电路，按输入电压呈线性比例来控制输出电流，以 实现对液压阀的比例控制。即通过对电的比例控制达到对液压的比例控制，以实现电液 比例控制。 电液比例控制作为一种新的液压传动控制技术，在液力传动系统中取得了较好的使 用效果。通过采用此项技术，可将液压系统的某些控制功能集成到电液比例控制器内， 简化液压系统的构成，提高液压系统动作的稳定性和可靠性。 2 ) 电液比例控制技术的组成 电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能不同，但可归纳为由功能基本相同的单 元组成的系统。如图2 1 所示。 7 第二章电液比例泵控马达系统实验台测控需求分析 4 ) 电液比例系统的特点 图2 1电液比例控制技术组成框图 比例控制技术是在开关技术和伺服控制技术之间的过渡技术 3 1 。从控制特性看，更 接近伺服控制系统：从抗污染、可靠性和经济性看，更接近开关控制系统。因此它兼有 二者的许多优点。具有控制原理简单、控制精度高、抗污染能力强、价格适中等特点， 受到人们的普遍重视。它是在普通液压阀基础上，用比例电磁铁取代阀的调节机构或普 通电磁铁，采用比例放大器控制比例电磁铁，实现对比例阀连续控制，从而实现对液压 系统压力、流量及方向的无级调节。 与其它的液压控制系统相比，电液比例控制系统具有以下特点： ( 1 ) 能简单地实现自控、遥控和程控： ( 2 ) 工作平稳，灵敏度和控制精度较高，成效快： ( 3 ) 可简化液压系统，减少元件使用，因此结构简单，同时抗污染能力强： ( 4 ) 系统的节能效果好： ( 5 ) 可连续地、按比例地控制液压机构的力、速度，并能防止压力、速度变化或换向时 的冲击： ( 6 ) 能把电的快速性、灵活性及精确性等优点同液压动力传动等特点有机地结合起来。 智能化、集成化、自动化程度高。 8 长安大学硕士论文 2 2 2 电液比例泵控马达组成 电液比例泵控马达速度系统的液压泵采用的是电液比例技术控制的变量泵，其变量机构 采用比例方向阀控液压变量缸，比例方向阀由比例电磁铁驱动阀芯的位移，来操纵变量 机构，是一种新型的变量控制方式 本实验台研究的泵控马达系统主要由以下四部分组成：电液比例变量泵、电液比例 马达p m l 、二次控制元件d s i 、加载模块。 1 ) 电液比例变量泵 在此系统中，变量泵p 2 选用德国力士乐原装进口件，其型号为a 4 v s g l 2 5 e 0 2 轴 向柱塞电液比例变量泵，特别适用于闭式回路，可连续改变排量，连续工作的压力可达 3 5 m p a ，噪声低，使用寿命长，功率重量比高，控制时间短，额定排量1 2 5 m r l 。通过 改变p 2 泵的排量来调节马达的转速和转矩。 为了满足功率调节和自动控制的要求，变量泵的控制方式近年来已得到长足的发 展。比例控制变量泵利用电一机械转换元件和控制阀来操纵变量机构，这不仅是操纵方 式的不同，更重要的是可以利用电信号来实现功率调节和自适应控制。这对高压大功率 系统的性能改进和节能都具有重要意义。 变量泵变量机构的基本作用是改变泵的排量，即在任一给定的工作压力下实现排 量与输入信号成正比的控制功能。变量机构本质上是一个位置控制系统，机构中变量活 塞的位置与泵的排量调节参数一一对应。电液比例变量泵的控制特性如图2 2 所示。 9 第二章电液比例泵控马达系统实验台测控需求分析 一l 眦 一l t i 毽一一 。 l 口l l 一吁，嘲 图2 2 变量泵的控制特性 控制电流由，o 变化至，- 时，泵排量由零变化至最大，对应于任一电流值都有一个确 定的排量与之对应，这样的话就可以达到泵的无级调速。其排量方程为： 缈= 臻一，。) ( 2 - 1 ) 2 ) 电液比例马达 试验台液压系统中电液比例马达p m l 为变量马达，采用德国力士乐公司的 a 6 v m l 0 7 e p 2 型弯轴结构轴向柱塞式电液比例马达，排量变化范围大、工作压力可达 4 0 m p a ，最大排量为1 0 7 m l r ，噪声低，使用寿命长。为了保证系统正反两个方向供油， 它的变排量机构采用的是一个直动式两位三通比例换向阀控单作用缸结构，可以根据控 制信号大小对马达排量进行调节，其中比例方向阀是以电一机械转换元件直接驱动功率 级阀芯运动的一种结构，调节该阀可实现电液比例马达p m l 排量无级变化，调节原理如 图2 3 。另外，马达排量调节机构中，变量活塞和先导阀之间的反馈方式采用位移一力 反馈式，利用变量活塞的位移，通过弹簧反馈使变量活塞定位。本文主要研究该马达为 定量的情况，因此在整个论文过程中不涉及马达的变量问题。 1 0 长安大学硕士论文 3 ) 二次控制元件d s l 图2 3 变量马达p m i 选用德国力士乐原装进口件，a 4 v s g l 2 5 d s l 型轴向柱塞设计二次控制元件，具有 极高的频响特性，可正反两方向旋转，具有泵及马达双重功能。实验台上进行泵控马达 性能测试时，二次控制元件作为马达的加载元件。其液压系统原理图如图2 4 所示。从 图2 4 可知，二次元件变量机构是一个三位四通比例方i f i - j ( b y a l 0 ) 双控作用缸结构，调 节此比例方向阀可实现二次单元排量无级变化。 4 ) 加载模块 实验台上加载模块液压原理图如图2 5 所示。图中，比例压力阀b y a 7 作为压力加 载方式调定加载压力，比例流量阀b y a 8 作为节流加载方式加载，为泵控马达系统调节 加载压力。另外，由单向阀c 9 ，c 1 0 ，c l l ，c 1 2 组成桥式回路，c 1 0 ，b y a 8 ，c 1 2 组合成连通 回路，c 1 1 , b y a 8 ，c 9 组合成换向连通回路。 鬟 第二章电液比例泵控马达系统实验台测控需求分析 l 。，。、 !l i ! ； 毒荽1 冀翻，科丫i i i t 芦匐l “扩_ ! l 。 t 。l上， 一，。j l l 广一1 产r 厂飞 陴：。 。p _褊l u 训 t， 。 盖 + ? 二， 亍 ， 、一，一一 jl r 一 卜尽j 一 臼苎 。 ， fjf 图2 , 4 二次元件液压原理图 图2 5 加载模块液压原理图 1 2 长安大学硕士论文 5 ) 转速传感器 选用j c z c 型智能转矩转速传感器，它是在原j c 型转矩转速传感器基础上利用美 国l o n w o r k s 技术研制开发的新一代智能型转矩转速传感器，在该实验台上主要用以 检测泵、马达、二次单元的转速和转矩。本文的研究对象为泵控马达系统，此传感器在 系统中起一个角速度反馈跟踪的作用，它主要完成把马达转动轴上的角速度转化成电压 信号后反馈给系统输入端口，系统通过比较输入电压和反馈电压来判断给后面的对象施 加控制的程度。 2 2 3 泵控马达系统原理 1 ) 变量泵原理 变量泵可看作一个变量泵参数控制系统，如图2 6 所示，由基泵1 和比例阀3 控变 量缸2 组成的变量机构组成，其比例元件为比例方向阀，执行机构为变量缸，泵的排量、 出口压力、流量和功率为系统的被控参数。通常按照泵反馈参数把变量泵的比例控制功 能分为比例排量调节、比例流量调节、比例压力调节和比例功率调节四大类 4 1 。如果只 利用变量机构的位置控制作用，使泵的排量和输入信号成正比，即为排量调节。如果针 对泵的输出参数，如流量、压力和功率进行控制，就要利用泵的出口压力或反映流量的 压差与输入信号进行比较，然后再通过变量机构的位置控制作用来确定泵的排量。所以 后三种控制功能实际上都是在排量调节基础上提出特定要求来实现的。排量控制是对变 量缸2 活塞位移的控制，其驱动装置为方向阀3 ，活塞位移j 反馈到控制信号输入端与 反馈信号比较形成闭环控制，这种位移一电反馈的电液比例控制泵可发挥电子技术的优 势，易于计算机结合，发挥各种控制策略的优势，在工程中被广泛应用。 1 3 第二章电液比例泵控马达系统实验台测控需求分析 2 ) 泵控马达系统原理 图2 6 变量泵构成简图 电液比例泵控马达系统组成如图2 7 所示，放大元件采用了比例放大器8 ，图中电 液比例泵控马达速度控制系统主要由三个部分组成：1 ) 泵l 和马达4 组成的速度控制 回路；2 ) 比例放大器8 和比例方向阀阀9 控变量缸7 组成的泵参数变量控制机构；3 ) 位移 传感器1 0 、泵出口流量传感器1 l 和压力传感器1 2 组成的泵参数检测反馈回路。比例放 大器接受控制器的输出电压信号，进行功率放大后控制比例方向阀的比例电磁铁；比例 元件为比例方向阀与传统液压泵结合而成的新的比例控制元件一比例泵，由比例方向阀 9 、变量缸7 和变量泵1 组成，比例方向阀的转换元件采用比例电磁铁，在比例电磁铁 电流变化时，磁通量改变，作为衔铁的阀芯产生位移，方向阀的开口改变，流向变量缸 的流量变化，从而推动变量活塞移动，改变变量泵的斜盘摆角，控制泵的参数；变量机 构的活塞位移、泵出口的流量和压力通过传感器反馈到比例放大器，形成内部闭环反馈， 控制泵的性能和精度。 1 4 长安大学硕士论文 9 图2 7 电液比例泵控马达组成 2 3 泵控马达系统实验台测控要求 由以上讨论所述可得，泵控马达系统实验所需要检测的物理量包括： ( 1 ) 压力：闭式回路a 、b 口压力，加载回路p 口压力，泵、马达泄露压力； ( 2 ) 流量：闭式回路a 、b 口流量，加载回路t 口流量，泵、马达泄露流量； ( 3 ) 温度：油箱温度，闭式回路a 、b 口温度，加载回路p 口温度； ( 4 ) 马达输出转矩和转速。 泵控马达系统实验，需要测控系统加载的控制电压信号所控的元件包括：比例泵的 变量机构、比例压力阀、比例节流阀、比例马达的变量机构、d s l 二次元件的变量机构。 1 5 第三章电液比例泵控马达实验平台测控系统硬件设计 第三章电液比例泵控马达实验平台测控系统硬件设计 3 1 硬件设计的任务和功能 本文研究对象是长安大学机电一体化实验室现有的电液比例压力流量控制系统实 验台，该试验台可以完成常规的元件性能测试实验，本文的主要任务是对该试验台测控 系统进行二次开发，使其完成电液比例泵控马达系统实验。顺利完成此实验，需要选取 适合的硬件( 包括传感器，采集卡，信号输出卡，比例控制器) 加上下位机p l c 和上 位机工控机，搭建一个测控系统。 具体的要求是： 1 ) 电液比例泵控马达系统的控制对象为电液比例泵的变量机构，控制系统通过输 出电压信号控制泵的比例放大器实现对泵的的排量和方向控制，本文中马达设为定量马 达，在实验过程中给马达的比例放大器输入一个设定值，通过控制变量泵来控制马达的 输出速度和方向。 2 ) 搭建的测控系统实现对加载部分的控制，给压力阀放大器和节流阀放大器输入 一个可调电信号，控制压力阀和节流阀工作。 3 ) 测试系统中，传感器、信号调理模块和数据采集卡是最基本的硬件，而这些硬 件的作用就是测得各种相关的物理量，并且将这些物理量转换为一定范围内的电量值， 并保存到计算机中。 3 2 泵控马达实验平台测控系统硬件流程图 泵控马达实验平台测控系统包括了工控机、p l c 、各类比例放大器、各类二次仪表 和传感器，系统流程图见图3 1 所示。 1 6 长安大学硕士论文 加 载 p 口 温 度 b t 4 油 温 传 感 器 b t l 加 载 回 路 t 口 流 j i 亘 b q l 闭 式 回 路 a b 口 流 量 b q 3 b q 4 图3 1 泵控马达系统硬件总体流程图 1 7 泄 露 压 力 传 感 器 b p l b p 6 力 载 回 路 p 口 压 力 b p 5 2 咯闭式回路怂口压力腭叶 i 2 3 闭式回路址口温度町盯 第三章电液比例泵控马达实验平台测控系统硬件设计 3 3 需采集的实验参数及其传感器选择 3 3 1 需采集的实验参数 ( 1 ) 压力 压力是液压传动的基础，在一个液压系统中，压力的变化情况直观地反映着这个液 压系统的工作以及性能情况。因此，在液压系统中，压力是一个非常重要的参数，几乎 在所有的液压实验中，都需要检测这个参数。 ( 2 ) 流量 在液压系统中，流量也是一个非常重要的参数，在液压泵、溢流阀静态特性等测控 实验中，都需要测量这个参数。在液压系统中，这两个参数常常被一起检测来反映液压 系统的一些性能。在液压实验中，同一时刻、同一点的压力和流量，常常是需要一起检 测的两个重要参数。 ( 3 ) 转速 这里的转速是指在实验中，电液比例泵和液压马达的转速。在电液比例泵控马达试 验中，计算液压马达的总效率和系统反馈中，泵的转速和马达的转速是一个必须的重要 参数。 ( 4 ) 扭矩 扭矩和转速一样，也是电液比例泵控马达试验中一个必须的重要参数。 ( 5 ) 温度 温度是保证液压系统正常工作需要监控的一个重要参数。 3 3 2 传感器的选择 传感器是指直接将自然界的变量( 如物理量、化学量等) 转化为测控系统可识别的 量( 如电压、电流等) 的装置，是采集系统参数的重要元件，他们性能的好坏直接决定 着采集数据的准确性，但是在选择传感器的时候也不能一味的追求高性能，还要考虑传 感器的性价比等因素。结合实验室对于传感器要求的实际情况，经过选择比较多款传感 器，最终选择的传感器和所对应的二次仪表介绍如表3 1 ： 1 8 长安大学硕士论文 表3 1 实验选用传感器和二次仪表 二次仪表 传感器数量所测物理量对应的二次仪表 输出范围 压力传感器 闭式回路a 、b 口压力 加载回路p 口压力 w p $ 4 2 3 0 11 1 4 1 4 h h p 0 - - , 5 v e 汀r 5 4 0 0 i5 泵、马达泄露压力 流量传感器 闭式回路a 、b 口流量 a s 8 - u 2 3 0 o 1 0 v v c 5 f l p s2 流量传感器 1 加载回路t 口流量 、p l 9 0 1 - 0 2 f 寸、1 n h l0 - 5 v l c f - 4 0 流量传感器 2 泵、马达泄露流量 w p - l ，9 0 1 - 0 2 f - n n - h l0 - - 5 v l c f - 1 5 油箱温度 温度传感器 4 闭式回路a 、b 口温度 m s z - 6 a 0 - 5 v 、z c 4 2 0 加载回路p 口温度 扭矩转速仪 l 马达转速 j w 二2 a0 - 5 v j c z o 3 3 3 信号调理 由于传感器输出的信号非常小，且极易受到噪声的影响，使输出信号严重失真，所 以一般不能直接进行数据采集，在采集之前需要对信号进行放大、滤波、激励、隔离等 预处理，信号调理的功能和基本工作如下： 1 ) 信号放大在信号调理过程经常会用到信号放大，传感器输出的信号量值很小，需 通过放大来提高分辨率。 2 ) 隔离当被测信号含有高电压峰值时，需要将传感器同计算机隔离，以免损坏计算 机和数据采集卡。 3 ) 滤波从所测量的信号中滤掉不需要的信号就是滤波。大部分数据采集系统会不同 程度受到电源线等噪声干扰，因此大多数信号调理设备都包含低通滤波器，能最大限度 地滤除这类噪声。 4 ) 线性化许多传感器的信号是非线性的，可用二次仪表或软件加以解决，本测试系 统采用了二次仪表来实现这些功能。 为了保护信号采集卡和消除连接导线的干扰，采集系统中配置两块输入输出接线 端子板- - p c l d 8 8 1 b ，它实际就是一套简单的阻、容电路。p c l d 8 8 1 b 的一端接传感器 二次仪表( 本实验台包括压力传感器、油温传感器、流量传感器和扭矩转速仪) 的输出 信号，另一端与数据采集卡连接，本测控系统中二次仪表完成信号调理工作，对输入的 1 9 第三章电液比例泵控马达实验平台测控系统硬件设计 传感器信号进行限流，滤波，使信号满足采集卡的要求。 3 4p l c 3 4 1 三菱p l c 特点 目前，在工业控制领域，p c + p l c 控制模式非常普遍。下位机p l c 主要控制常规的 数字输入输出状态；工控机主要处理全部对模拟输入输出，记录所有相关数据，完成全 部实验。本实验采用的是三菱公司生产p l c 型号为q 6 1 p a 1 。三菱p l c 主要特点： 1 ) 结构灵活，不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入 端口数量，使资源保持较高的利用率。 2 ) 传输质量高、速度快、带宽稳定，它所提供的1 4 m b p s 带宽可以为很多应用 平台提供保证。最新的电力线标准h o m e p l u ga v 传输速度已经达到了2 0 0 m b p s , 为了确保q o s ，h o m e p l u ga v 采用了时分多路访问( t d m a ) 与带有冲突检测机 能的载体侦听多路访问( c s m a ) 协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。 3 ) 范围广，无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的 网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。由此，运营商就可以轻松地 把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的地方。 4 ) 低成本。充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了 资源。无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同 时也节省了人力。相对传统的组网技术，p l c 成本更低，工期短，可扩展性和可 管理性更强。 5 ) 适用面广。p l c 作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最 后一公里 的解决方案，广泛适用于各领域。它是利用电力线作为通信载体，使 得p l c 具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，就立即可享受 4 5 4 5 m b p s 的高速网络接入，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的 “四网合一 。 3 4 2p l c 硬件构成 p l c 包括c p u 模块、i o 接口模块、存储模块、电源模块。如图3 2 。 长安大学硕士论文 h 硬件结构图 图3 2p l c 硬件构成 c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，每套p l c 至少有一个c p u ，它按 p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现 场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和p l c 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮 器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥 有关的控制电路。 c p u 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状 态总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存 储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。 2 1 第三章电液比例泵控马达实验平台测控系统硬件设计 c p u 的控制器控制c p u 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作 节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 c p u 速度和内存容量是p l c 的重要参数，它们决定着p l c 的工作速度，输入 输出数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 本实验用的c p u 型号为q o o c p u 属三菱公司q 系列c p u ，q o o c p u 为独立c u p 模块。三菱公司的q c u p 是以小规模系统对象的，最适合于简单而又紧凑的控制系统。 所支持的最大输入输出点数为1 0 2 4 点，软元件的存储器约为1 9 k 字，且允许软元件在 1 6 k 字范围内任意分配，q o o c p u 还可将3 2 k 字的文件存储器存入内置的标准r a m 中。 c p u 的r s 2 3 2 c 端口能与使用m c 通讯协议的其他外部设备进行通讯。 3 5 数据采集卡和信号输出卡的选择 数据采集卡和信号输出卡是测控系统中最重要的硬件，它不但要负责数据的采集， 而且要负责相关实验设备以及液压回路的控制。数据采集卡的选择主要看其采样率( a d 转换的速率) 、分辨率、通道数、同步采样、模拟输入输出、数字输入输出、触发等相 关的指标1 9 1 。在本液压实验台测控系统中，需要用到模拟输入输出，数字输入输出，以 及计数器等功能，还考虑到以后对测控系统的扩展，经过对多个公司生产的多款采集卡 的比较筛选，又参考了实验室的现有数据采集设备，最终选用了研华公司生产的 p c i 1 7 1 3 ( p c i 1 7 1 3 是一款p c i 总线的隔离高速模拟量输入卡。它提供了3 2 个模拟量 输入通道，采样频率可达1 0 0 k s s ，1 2 位的分辨率及2 5 0 0 v 的直流隔离保护) ( 实物图 见3 3 ) 和模拟量信号输出卡p c l 7 2 6 ( p c l 7 2 6 是一款1 2 位模拟数字量输出卡) ( 实 物图见3 4 ) 这两款板卡，再将他们结合使用从而满足了液压实验台测控系统在液压实 验中的测试和控制要求。对这两款卡的分