（机械电子工程专业论文）液压缸精密行程智能驱动单元控制系统设计与实现.pdf

摘要 本文主要目的是设计实现一种智能控制系统，此控制系统可以通过控制驱动单元来 提高开关阀控制的液压系统液压缸行程精度。应用开关阀控制的液压系统在实际生活中 广泛应用。并且其与比例阀与伺服阀控制系统比较，具有价格低、适应环境能力强、控 制系统简单等优点，但是其控制精度较低。设计实现这一控制系统可以提高开关阀控制 系统的控制精度使其应用领域更加广泛。本智能控制系统的设计结合液压元件的结构特 点与受控特性通过电气控制设计，实现自动位置检测并且智能控制动力输出，研究内容 主要为控制系统设计实现，重点包括电路设计与程序设计。本控制系统控制的驱动单元 可以通过简单的安装即可实现对开关阀控制液压系统的精确控制。与以往的液压缸行程 控制方法比较，具有较强的适应性与可移植性。同时在驱动单元动力输出控制部分，结 合数字化控制精度高等优点提出了给油控制的数字化，即通过精确可控输出装置提供油 液，从而使得系统液压缸行程的精确度得以保证，同样液压缸位置信号采集也采用了数 字式的光栅传感器。此外，在计算动力输出所需油液量时采用了模糊算法，能够较完整 的反应各种影响因素，使得驱动单元的控制结果更加完善。通过本控制系统控制的智能 驱动单元可以提高开关阀控制液压系统的行程精度，扩大其应用领域。 关键词：单片机控制系统，步进电机驱动控制，模糊p i d 算法，数据采集与处理，控制 系统综合 a b s t r a c t t i l i sp a p e rc o m m i t t e dt od e s i g nac o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n tp r e c i s i o ns t r o k eh y d r a u l i c c y l i n d e rd r i v eu n i t 1 1 圮c o n t r o ls y s t e mc a ni m p r o v et h ep r e c i s i o no f s w i t c hv a l u ec o n t o l h y d r a u l i cs y s t e mb yc o n t r o l l i n gt h ed r i v eu n i t t i l i sh y d r a u l i cs y s t e mi sw i d e l yu s e di nt h e a c t u a ll i f e ；i th a sl o wp r i c e ，a d a p t i n ga b i l i t yt h a nt h ep r o p o r t i o n a lv a l v ea n ds g i v ov a l v ec o n t r o l h y d r a u l i cs y s t e m b u tt h ec o n t r o la c c u r a c yo f i ti sl o w d e s i g nt h i sc o n t r o ls y s t e mc a l li m p r o v e t h ec o n t r o lp r e c i s i o no fs w i t c hc o n t r o lh y d r a u l i cs y s t e m 1 1 1 ee l e c t r i c a lc o n t r o ld e s i g no f t h i s c o n t r o ls y s t e mc a nr e a l i z et h ea u t o m a t i cp o s i t i o nd e t e c t i o na n di n t e l l i g e n tc o n t r o lp o w e r o u t p u t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no f t h i sc o n t r o ls y s t e m 劝ec o n t r o lu n i tc a nb er e a l i z e dt h ep r e c i s i o nc o n t r o lo fh y d r a u l i cc y l i n d e r t r i pb ys i m p l ei n s t a l l a t i o n t os w i t c hv a l v ec o n t r o ls y s t e m ，i th a st r o n ga d a p t a b i l i t ya n d p o r t a b i l i t yt h a l lt h eo t h e rm e t h o d s i te n s u r e st h ea c c u r a c yo f t h et r i p ，w 色u s eg r a t i n gs e n s o r t h a ti sad i g i t a ls e n s o rt oa c q u i r et h ep o s i t i o ns i g n a lo fh y d r a u l i cc y l i n d e r i na d d i t i o n ，w eu s e t h ef u z z ya l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h eo i lw h i c hw en e e d i tc a l la c c u r a t e l yr e a c tf a c t o r s ，s oi tc a n m a k et h er e s u l tm o r ea c c u r a t e t h ec o n t r o ls y s t e mc a l li m p r o v et h ep r e c i s i o no fs w i t c hv a l v e c o n t r o lh y d r a u l i cs y s t e mt r i pa n dc a ne x p a n dt h e i ra p p l i c a t i o nf i e l d s k e yw o r d s ：s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，s t e p p e rm o t o r , f u z z yp i da l g o r i t h m ， d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , c o n t r o ls y s t e mc o m p r e h e n s i v e 第一章绪论 i 1 概述 第一章绪论 液压系统因其带动负载的能力与其配置简单等优点被广泛应用于工业、农业等领 域，一般液压系统由动力部件、执行机构、控制部件、附件和液压油这些组成，其中执 行机构主要是液压缸【l 】。随着人们对控制精度的要求越来越高，传统的液压系统的精度 不高这一缺点逐渐显现，同时由于计算机技术突飞猛进的发展，其在控制精度上的优点 使人们开始把计算机控制与液压系统相结合，通过计算机的调控提高液压系统的控制精 度。而如何获得更高精度的液压系统成为被广泛关注的新内容。在高精度液压系统研究 中，对液压系统的执行元件即液压缸的精确控制是最直接最可行的方法。在液压缸行程 精密控制的应用中，本文采用微处理器控制系统，通过电路设计与应用程序的开发实现 液压缸行程的精确控制，实现与液压系统其他部件的融合。 1 2 液压缸精密行程控制的发展 1 2 1 液压技术的发展背景 液压理论最早产生于1 7 世纪，从最初的以水为介质到以液压油为介质，经过多年 的发展被应用到液压磨床和车床等领域。第二次世界大战结束后，在液压传动方向的技 术更加成熟，在欧美国家液压传动技术被广泛的应用于工业、农业、建筑、汽车、军事 等领域。同时伴随的科技的发展，人们在追求液压传动传动比大的同时也开始追求其精 确度，因此液压传动技术也与时俱进的发展进步，人们将控制精度高的电子控制应用到 液压传动中，提高了液压系统行程精度，使液压技术应用领域进一步扩大。进入2 l 世 纪，液压技术不仅仅局限于传统的机械技术而且应用了其他高新学科的新理论新知识如 控制理论、计算机技术、传感器等，这些多方面的内容使得其成为更具应用价值的现代 液压技术2 1 。 1 2 2 液压缸行程控制技术国内外研究现状 液压缸行程控制系统是具有实用价值的自动控制系统，随着技术水平的发展，传统 的模拟式的控制系统在控制精度与控制速度上很难达到要求，并且逐步被数字技术所取 替。近些年，数字化的液压产品层出不穷，这些数字化的液压产品可以有效的提高液压 系统的控制精度。 目前，广泛应用的液压系统多为开关阀控制，为了解决其控制精度不高这一缺点， 国内外现在采用的方法有两种，一种是通过伺服控制，另一种是使液压元件数字可控化。 第一章绪论 其中，伺服控制因其价格高，目前没有广泛应用，而直接数字可控化是比较常见的精确 控制方法。而直接数字化包括了两种手段，一是采用对高速开关阀的脉宽调制控制，二 是采取应用数字化执行装置。目前，国内外对液压系统液压缸行程精密控制多采用上述 两种方法。 现在，国内外在对液压缸行程精确控制上多采用制作可控的数字液压元件，而液压 系统的执行部件是被最广泛制作与研究的，数字化液压缸就是其中一种，它是将液压缸 体位移量数字化【3 1 ，因此通过这种液压缸可以方便准确的提供活塞位置，提高液压缸行 程控制精度。目前，北京亿美博公司研究成功了多款数字液压缸，为液压缸精密行程控 制做出了突出贡献。此外，国外也针对液压缸行程精确控制这一发展要求，研究开发了 数字液压缸，现在已开发了基于现场总线的数字液压缸，数字液压缸的研究与开发为液 压缸的行程控制提供了科研思路与方向。可见液压缸精密行程控制在世界各国都被高度 重视且飞速发展。 1 2 3 液压缸精密行程控制技术的发展前景与展望 由于液压传动传动力大等优点，人们不可能舍弃液压传动这一传动方式。同时由于 传统液压系统行程精度低等缺点，因此致力于提高液压缸行程精确控制的研究将不断推 陈出新，同时结合了电气控制等多领域学科的内容，必将使液压缸精密行程控制这一实 用性技术不断进步发展。 解决了行程控制精度问题后的液压传动技术必将会被广泛应用于各个领域，如高精 度数控机床、航空航天等。 1 3 电气控制技术的发展 电气控制是通过控制电机来控制以电机为驱动装置的系统，电气控制在现今被广泛 的应用在各行各业，通过电气控制可以实现控制的自动化。随着科学的进步，一些新型 控制理论与技术相继出现，改变着电气控制技术。电气控制的发展经历了继电器控制、 p l c 控制、嵌入式系统控制。 继电器控制是传统的电气控制方式，它采用开关元件进行控制，因此它的控制方式 是不连续的，同时由于开关元件频率有限故继电器控制系统的工作频率不会很高，长时 间的重复开关容易损坏开关元件触点，但是由于其控制简单、价格便宜、抗干扰等突出 的优点使这种控制方式依然存在。 p l c 控制系统是2 0 世纪末发展起来的一种工业控制方式，他采用了依靠软件编程 来实现具体功能，p l c 在应用时可以根据不同要求选择不同块，因此他可以应用于不同 的场合，具有较强通用性、较高稳定性，编程多采用梯形图，这种语言容易理解，正是 这些优点使其在现在的工业控制中被广泛的应用。 嵌入式控制系统是新近被广泛讨论并迅速发展的控制方式，人们把单片机控制系统 看成是嵌入式系统初级形态，最初单片机是一种微型的计算机系统，他是将c p u 及所 应用的外围部件进行高度集成而产生的一种芯片【4 】。正是基于这一设计思路，逐渐形成 第一章绪论 了嵌入式系统这一观点。早期的单片机都是8 位或4 位的，随着集成电路水平的提高与 人们对单片机要求的提升，逐渐发展为1 6 位的单片机【5 】随后单片机得到了飞速的发展 出现了3 2 位单片机，而且现如今的单片机系统结合了大量专用的操作系统，使得控制 系统更加完善，形成了现代嵌入式控制系统。 1 4 本文主要研究内容 本课题是根据液压系统电气控制这一新的发展方向，结合目前国内外对液压缸精密 行程控制的发展现状，提出了设计实现一种智能驱动单元的控制系统，对液压缸的行程 实现精确的控制。此驱动单元通过安装到原有开关阀控制的液压系统中，提高原有系统 的控制精度。此驱动单元控制系统的设计有别于数字液压缸，它独立于液压系统，同时 又可以通过控制系统的检测与驱动实现液压缸行程的精确控制，其设计思路与方法符合 目前国内外对液压缸行程控制的发展方向。创造性地提出一种智能驱动单元控制系统， 通过此控制系统对相应液压元件进行驱动控制，实现液压缸行程的精确控制。本课题具 体研究内容为： l 驱动单元控制系统硬件电路设计。 2 控制系统的软件设计。 3 控制算法的设计与优化。 4 软硬结合，实现控制系统的综合与应用。 1 5 本文的研究意义 通过本控制系统的设计实现，可以提高液压缸行程控制精度，同时控制系统设计实 现时所采用的硬件电路均利用了模块化设计思路，可以根据不同接口要求选择替换，为 智能驱动单元液压结构的改进提供的方便。此外，本文所采用的各个驱动子程序亦可以 根据不同要求作为移植使用，特别是本文采用的模糊p d 控制思路，可以为不同的位置 精度控制系统提供有效的帮助。结合了硬件、驱动程序、算法程序于一体的智能控制系 统可以大幅提高液压缸行程的精度。 第二章智能驱动单元控制系统的设计原理及方法 第二章智能驱动单元控制系统的设计原理及方法 2 1 智能驱动单元工作原理与基本结构介绍 控制系统是实现智能驱动单元精确控制液压缸行程的关键。控制系统的设计主要可 分为电路设计和程序设计。由于控制系统的设计是基于被控智能驱动单元功能而实现 的，因此本文先介绍智能驱动单元所要实现的功能。智能驱动单元是通过简单安装连接 到原有液压系统中，实现液压缸行程精确控制。由于液压缸内部活塞是可以移动的，当 向液压缸中注油时，在液压油的挤压下液压缸活塞会发生移动，这种移动可以使外界负 载发生运动。外界负载在这种作用下移动的距离的远近完全取决于注入的油液的体积， 从而可知要想实现液压缸行程的精确控制可以通过对所供给的油液量进行精确控制而 实现，这就是本驱动单元控制系统设计实现的核心。具体工作原理为当液压缸活塞的位 置进入到智能驱动单元的控制范围内，控制系统关闭截止阀，截断被控系统外部油液供 给，使得驱动单元与被控液压系统形成封闭空间，此时液压系统液压油的供给只能通过 驱动单元提供，这时通过安置在液压缸上的位移传感器采集活塞位置并且与存储在处理 器中的精确控制位置进行比较，通过算法计算出所需油液量，并且转化为步进电机的转 动步数与方向，通过处理器发出控制命令，控制步进电机定量转动形成油液输出。在步 进电机停止运动后，再次检测液压缸位置进行细微调整，多次重复此调整动作，直到达 到控制系统精确控制的位置范围p 马t 6 ) 。其中，液压缸活塞的精确控制位置是通过自行设 定的。本驱动单元基本结构如图2 1 所示。 62 2 0 v 电源 5 参数设定及调试操作面板 1 液压油口p2 液压油口0 图2 - 1 智能驱动单元结构图 - 4 8传感器接口 9工进加返回n控制信号 第二章智能驱动单元控制系统的设计原理及方法 根据上述内容可知，基于本控制系统实现的智能驱动单元的工作原理与结构，而控 制系统具体的工作过程和功能将在下节中详细介绍。通过驱动单元控制系统的设计实 现，可以使得驱动单元完成对液压缸行程的智能精确控制。 2 2 控制系统设计方法与要求介绍 随着计算机技术的发展，用控制器控制机械部件的技术日渐成熟，现在应用电子技 术控制液压缸的控制系统已占有非常重要的地位。应用电子技术实现对机械结构的控 制，主要是通过一种装置使电能转化为机械运动，而这种装置又是可以通过控制器控制 的，从而可以实现弱电信号对机械部件的控制。正是基于应用电子技术与计算机技术实 现液压系统精确控制的这一理论，本文设计实现了智能驱动单元控制系统，根据上文所 述，此控制系统工作在较为恶劣的环境中同时实现的是位置的精确控制，因此本文介绍 的控制系统在设计时要注意抗干扰性与精确性要求。在进行控制系统的设计时要按照设 计方法进行，控制系统的设计方法如下 1 明确设计要求，将设计化整为零，分成多个部分进行设计并且明确各部分的性能。 2 根据性能进行总体方案的设计，选择合适的c p u 等主要芯片。选择c p u 等主要 芯片应注意以下要求： ( 1 ) 容易采购，性价比高； ( 2 ) 容易开发，应用广发； ( 3 ) 可扩展性好。 3 根据各个功能模块选择合适的元器件，元器件的选择应注意要尽可能少的使用不 常用的芯片，应选取常规的元器件，尽量选取兼容性好的器件。在实际应用中，完成一 样的功能应尽量减少成本，选择高性价比的元器件。 4 进行硬件电路的设计，注意如下规则： ( 1 ) 数字信号与模拟信号分割； ( 2 ) 保证各个资源不冲突； ( 3 ) 在不增加硬件电路设计难度的情况下尽量保证软件开发容易。 根据控制系统设计的方法要求，在控制系统设计前应当选择合适的处理器，然后根 据所要实现的控制功能围绕处理器进行具体的设计。正是基于这一理念，本文在进行控 制系统设计时首先选取合适的处理器，本控制系统采用a t 8 9 c 5 1 作为处理芯片，这类 单片机发展于i n t e l 的8 0 3 1 单片机，后来随着f l a s hr o m 技术的发展，这一系列单片机 成为目前应用最为广泛的8 位单片机，当前，他在工业、农业等控制领域的应用极为普 遍。单片机是单片微型计算机，他是一种典型的嵌入式微控制器，他具有完整的计算机 系统所需要的所有部件，如c p u 、内存、内部外部总线等，同时集成了定时器、实时时 钟等【7 1 。因其高度的集成性，低廉的价格，非凡的控制品质，目前单片机为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。a t 8 9 c 5 1 单片机的内部集成部件如图2 2 所示。 第二章智能驱动单元控制系统的设计原理及方法 图2 2a t 8 9 c 5 1 内部结构图 在本控制系统设计过程中，主要应用了a t 8 9 c 5 1 内部的数据存储器、定时计数器、 可编程输入输出接口。其中数据存储器用来存储液压缸行程的位置信息，f o 口用以采 集压力传感器数据、位移传感器数据、按键：同时是处理器驱动控制系统执行部件的通 道，定时计数器主要用来记录光栅位移传感器采集的数据。选择了合适的处理器后，为 了实现整个控制系统的功能，应围绕处理器进行相应功能电路与程序的设计，具体设计 过程如下章。 第三章控制系统具体功能设计实现 第三章控制系统具体功能设计实现 3 1 控制系统功能设计实现 3 1 1 控制系统电源设计 智能驱动单元在通过简单的连接，安装到原有液压系统。控制系统在接通电源后即 可通过控制智能驱动单元从而实现液压缸行程的精确控制。控制系统是工作在液压系统 中，多在车间厂房出现。因为工作地点的原因，本控制系统的设计提供了外接2 2 0 v 交 流电的电源插头。这样在实际工作中便于应用。但是由于控制系统采用单片机系统，其 工作电压为5 v 直流电，因此需要一种将交流电转变为直流电的设备，这就是直流稳压 电源模块。因此为了使控制系统应用稳定、方便，故首先需要设计一个稳压电源，为控 制系统提供稳定的工作电压。 目前，直流稳压电源有线性与开关型两种，由于开关型稳压电路在输出低电压时精 度不高且波动较大f 8 】，同时在抵抗外部于扰的能力上弱于线性电源，所以本控制系统在 设计直流稳压电源时，采用线性稳压电源。在电源电路设计时考虑到其为控制系统供电， 故所需求的电源精度较高，所以在设计时特别注意了抗干扰的措施。在布印制电路板线 路时特别注意消除电流环路，减少线间电容等。同时在电源器件的选择上也十分注意。 在嵌入式控制系统的设计中，电源是干扰信号产生的一个重要来源，电源在受到外界因 素影响时会在瞬间电压不足或过载，从而产生浪涌、尖峰等干扰【9 】。又因为本文所设计 的控制系统工作在车间的液压系统中，外界的噪声、震动等会引起电源的不稳定从而影 响控制系统的稳定，此外电源常常会因为液压系统的启停而产生浪涌和尖峰干扰。因此 在控制系统电源的设计过程中提出了采用尖峰滤波器来减少尖峰干扰设计，设计采用北 京中石电子公司出产的单项抗尖峰率波器用于尖峰干扰的处理，此外电源模块电路设计 又包括变压、整流、滤波、稳压。根据控制系所需供电电源要求，控制系统电源模块应 能够提供5 v 和2 4 v 直流电源。 控制系统的电源模块是将电网电压转化为控制系统所需的直流电源，电网供电电压 为交流电2 2 0 v ，5 0 h z ，由于这种电压幅值太大，因此首先采用变压器将电网的电压降 低到与控制系统要求的直流电压大小相符合的交流电压，得到这种幅值合适的交流电压 后，要把这种交流电转化为直流电，这就需要通过整流电路变成单相直流电，但这样的 电压变化的幅度较大( 脉动大) 不适合供给控制系统使用，为了使得得到的直流电压能 被控制系统应用，就必须去掉电压中的脉动，这就需要滤除脉动电路处理，经滤除脉动 后的直流电压再通过稳压电路稳压得到受外界影响较小的稳定的电压输出从而供给整 个控制单元使用。控制系统电源设计内容框图如图3 - 1 。 第三章控制系统具体功能设计实现 图3 - 1 电源设计功能示意图 控制系统电源设计原理图如图3 2 。 图3 2 控制系统电源原理图 。 图中整流电路采用r b 2 0 8 整流桥，r b 2 0 8 是集成芯片，它集成了桥式电路，利用 二极管单相导电性将方向不停变化的正弦波交流电变换成只有一种方向的不稳定的直 流电。其工作原理为：假设变压器副边电压瞬时值u ，= 4 2 u , s i n ( 纠) ，其中u i 为交流有 效值，当在正半周期时，r b 2 0 8 整流桥中位置相对的二级管d 1 、d 3 导通，d 2 、d 4 反 偏截止，这时u o = u j ；当在副半周期时d 2 、d 4 导通，d 1 、d 3 截止，u o = 一u j 叫。根据 整流桥中二极管的特性可以完成对交流电的整流。 其中负载上的电压平均值为 第三章控制系统具体功能设计实现 川= 昙p 跏刎妇) = 竽配 ( 3 - 1 ) 可见。在变压器副边电压有效值相同情况下，输出电压的平均值是半波时的两倍， 有效提升了输出电压，由此可知当接上负载后，流过负载的电流为 锄= 警= 警 仔2 ， 在变压器副边电压有效值相同且负裁相同的情况下，输出电流的平均值也是半波时 的两倍1 。根据公式可以得到这种整流电路的脉动系数，即 s = = 酱= 兰3 p 3 ， ， 广- 虬( 一r l2 2 、 滤波电路有很多，常见的为电容滤波电路和电感滤波电路，本电源模块采取电容滤 波的方法，即在整流桥的负载端并联一个极性电容。其原理为利用电容在电路中的储能 作用和电容对不同频率有不同容抗的特性，组成低通滤波电路，通过电容的充电、放电 来滤除交流分量，降低脉动幅度。 开始时电容c 上没有储存电能，当变压器的副边电压m 处于正半周期并且开始从 零上升时，整流电路罩的两个相对的二极管d 1 、d 3 导通，由此形成回路，电流开始给 电容c 充电，在理想状态下，变压器的副边无损耗，二极管导通无压降，则电容两端的 电压玑随u 的上升而上升，当阢上升到峰值后开始下降，电容向负载放电，其电压也 开始下降，其中以的下降速度比u 的下降速度慢很多，故当以大于配时，二极管d 1 、 d 3 反向偏置截止，负载中的电流由电容放电来供给；当电容电压以下降到与负半周 期幅值相等时，d 2 、d 4 导通，电容再次充电，重复上述过程从而使电压的变化较小； 这种经过滤波的电压呈现一种锯齿的形状因此其平均电压值不能靠计算得出，而要靠估 算的方法求得【1 2 】。 根据经验，电容滤波的输出电压与电容的放电时间常数a 关系密切，放电时间常数 越大，输出电压越平稳，输出电压平均值越高【1 3 】。按照经验公式计算，放电时间常数为 a - - r c _ ( 3 - 5 ) ( 3 - 4 ) 其中，t 为电源交流电压周期，则输出电压平均值为 = ( 1 1 1 4 灿 ( 3 5 ) 一般取乩= 1 2 u 。 当市电经过以上介绍的变换后得到了一种直流电压，但控制系统电源设计并没有完 成，因为这种电压虽然相对稳定，但是由于市电电网的波动或电源电路内部内阻等原因 会使这种电压的平均值发生变化，因此这种电压不能使控制系统稳定运行。因此还需要 对这种电压进行稳定处理。稳压电路是电源模块设计的最后一步，正弦交流电经变压， 整流，滤波后变为了较为平滑的直流电压，但是对于许多电子设备，这种电压仍然不可 第三章控制系统具体功能设计实现 应用，为了保证输出的电流电压维持稳定，使其不受外部变化的影响，要在整流滤波电 路后增加稳压电路。本控制系统电源设计时采用三端稳压集成芯片7 8 0 5 、7 8 2 4 实现稳 压，由于其高度集成性，稳压芯片内有设有保护电路【1 4 】，因此与其他模拟器件搭建的稳 压电路相比应用三端稳压集成芯片的电路所应用的成本较低，稳压效果也更好，在实际 设计应用中，为三端稳压芯片添加散热片，因为当温度过高时，其稳压性能将不再稳定。 本控制系统采用的线性直流稳压电源设计原理与设计成果如上所述，其为控制系统 提供了较为稳定的工作电压，为控制系统功能实现提供了前提保证。 3 1 2 控制系统自检过程中的设计 控制系统通过系统自带电源稳压模块获得工作电源后开始工作。控制系统为了很好 的实现控制功能，需要对被控系统与驱动单元进行精确控制的前提检测，即密封性检测。 正如前文叙述，本控制系统能够精确控制液压缸行程的本质核心就是通过可控的微量供 给油液实现液压缸位置控制，由于采用的是微量的数字供油机制，因此对系统和驱动单 元密封性要求极高。如果系统密封不好，在控制系统一次微量供油( 称为单位容积) 过 程中其渗漏的液压油大于这一单位容积的油液量，这样控制系统将无法实现控制功能， 无法提高被控液压缸的位置精度。因此，为了保证控制系统能够准确执行控制功能，要 求在调试、设定控制系统前进行密封性检测。控制系统针对密封性检测的设计这里包括 了两部分结构的检测，一是控制系统内部结构的密封性另一个是被控缸体与管道密封性 检测。 针对这两部分自检功能的设计是这样的。在进行自检测试时通过人机交互面板中的 按键l 、2 分别控制进行控制系统与被控系统密封性的检测。具体过程为，按下按键1 ， 控制系统响应按键请求，通过控制系统电磁继电器关闭图2 1 中截止阀l 和2 ，通过控 制系统中步进电机驱动模块启动控制系统对步进电机的控制，通过步进电机为智能驱动 单元内部供油加压，当到达一定程度后，停止步进电机动作。通过控制系统压力传感器 模块采集驱动单元内部压力变送器测得的压力值，并通过液晶显示显示出来。如果压力 值基本保持不变说明智能驱动单元内部密封性良好。继而检测被控系统密封性。 按下按键2 ，控制系统关闭截止阀l ，通过步进电机给系统油路供油，加压到一定 程度后，通过显示屏观察数值保持稳定则系统密闭性合格，可以进行下步操作。在控制 系统自检过程中应用到了控制系统中多个功能模块，其具体设计思路与方法介绍如下。 首先，我们对控制系统的操作主要通过按键来实现，并且控制系统处理的压力数据 通过液晶显示反馈，因此对本控制系统所采用的人机交互模块进行详细介绍。 人机交互模块是人对控制系统进行干预与测试的功能模块，它包含了按键与显示这 两个部分。其中按键主要提供工作人员对控制单元控制的接口，显示部分的主要作用是 显示控制单元控制液压缸的行程数据与压力传感器数据。 ( 1 ) 按键部分设计 按键采用长开型的按钮开关，当按钮未按下时，按键的两端触点处于断开的状态， 当按钮按下时，按键的两端触点才会闭合。通常处理器响应外部按键的处理方式有两种， 一种是查询方式，一种是中断方式。查询方式采用c p u 不断查找是否有按键按下，这 第三章控制系统具体功能设计实现 种方式耗费c p ui 作时间，使c p u 的工作效率降低。而中断方式是处理器处理自己的 工作只有接收到中断请求后才会处理中断，这种工作方式占用c p u 工作时间少，提高 了c p u 的工作效率。因此，控制系统按键设计采用中断方式，其原理图如图3 3 。 图3 3 控制系统按键部分设计原理图 如图，当没有按键按下时7 4 l s 0 0 的输入端处于高电平状态，故7 4 l s 0 0 的输出端 为低电平状态，经过7 4 l s 3 2 与7 4 l s 0 4 后使得烈t 0 为高电平状态，而i n t 0 与控制系 统中单片机外部中断i n t o 相连，由于单片机外中断为低电平触发，故不触发外部中断， 当有按键按下时i n t 0 的状态发生改变，c p u 响应外部中断，进入中断处理函数，进行 按键的查询与按键功能的处理。控制系统进行相应的按键的处理是根据软件的扫描来判 断的。 一， 控制系统按键程序设计包括中断、中断处理、消除抖动等。中断是由按键按下触发 外部中断，进而进行中断处理程序，中断处理程序又包含了按键的扫描即确定具体哪个 按键按下和具体按键所处理的功能子程序的调用。在实际操作中往往由于按键的抖动即 按键一次产生多个输入从而引起错误的处理。因此，消除按键的抖动十分重要。在具体 实施中有两种方法，一是采用硬件电路的消抖，其增加了硬件结构复杂性、增加了成本， 另一个采用软件来消抖的方法，应用软件消抖只要进行足够的延时即可，因此比较简单 实用【1 5 】，故本控制系统按键设计采用软件消抖的方法，即对按键按下后进行延时处理在 这段延时中按键的抖动无效从而实现按键的消抖。其按键程序流程图如图3 - 4 ，子程序 第三章控制系统具体功能设计实现 如表3 - 1 。 y 图3 - 4 控制系统按键软件设计流程图 图中调用对应按键处理程序是指在控制系统中不同的按键所实现功能不同，以自检 按键l 为例，当其按下后，控制系统会调用继电器驱动子程序、步进电机驱动子程序、 压力传感器数据采集处理子程序、显示子程序。对于不同的按键，进行处理的子程序也 不同，后文会依次详细介绍。 表3 1 按键处理子程序 o r g0 0 0 0 hi n s e r ： h 酶qm a i nj b p 1 0 ，l 1 n o p l c a l ln t n o pl c a l lw r 兀 l o r go 0 0 3 hl i ：j bp 1 1 ，l 2 n o pl c a l ln t n o pl c a l l w r n _ - 2 a j m 口i n s e rl 2 ：j bp 1 2 l 3 o r g0 0 3 0 hl c 札ld 汀 m a i n ：l c a l lw r l l r m o vs p 扫 6 0 hl 3 ：i 江 t i 第三章控制系统具体功能设计实现 a n l p 3 ，# o c 7 h l c a l l 玳t l c a l l 哏1 1 r m o vi e ，# 8 1 h m o v8 8 h ，# o i h h e r e ：s j n 伊h e r e o r g0 2 0 0 h 示例程序中只列举了三个按键的扫描，在按键的处理上也只列举了调用液晶显示的 子程序，在控制单元的工作过程中按键扫描与处理远远多于此，但是程序设计的思路与 方法与此相同。 ( 2 ) 显示部分设计 通常在单片机控制系统中常用做显示的部件有两种，一种是7 段数码管，另一种是 l c d 显示屏【1 6 】。数码管是由7 段l e d 构成字符8 ，还有一个小数点发光l e d ，用以显 示数字、字符，其价格便宜、配置简单，但是数码管显示内容单一，只显示数字与字符 的要求已很难满足现代控制系统的显示要求；液晶显示屏则能显示汉字和图形，因此液 晶显示屏在现代控制系统中应用越来越广泛，基于液晶显示屏在显示上的优势与本课题 的显示要求采用液晶屏作为显示器件，其型号为1 2 2 3 2 f 。它是图形点阵液晶显示器， 内置汉字字库与a s c i i 字符【1 7 】。1 2 2 3 2 f 液晶显示屏提供了两种与控制器的接口方式， 串行接口方式、并行接口方式。串行接口方式其数据位是一位一位顺序传递的，它占用 的资源少，但传输速度较慢。并行接口方式其数据位同时传递，占用的接口资源较多但 其速度快。考虑到本控制单元显示的实效性，故采用并行接口方式。其与控制器接口如 图3 5 ，d o d 7 为数据口，其他为控制接口。 图3 - 5 控制系统中液晶显示接口接口 在控制系统处理完压力传感器数据和位移传感器数据后，控制系统都会将这些数据 通过液晶显示器反馈给人，而液晶显示器也是在控制系统单片机的控制下通过调用写显 示控制指令程序、写显示数据程序、读显示数据程序来实现的。其中写显示控制指令时， 第三章控制系统具体功能设计实现 控制系统通过单片机对液晶显示器内部控制芯片发出执行指令。通过三个子程序的配合 使用完成显示功能。其子程序如表3 2 。 表3 - 2 液晶显示屏程序设计各个子程序 第三章控制系统具体功能设计实现 1 5 - 第三章控制系统具体功能设计实现 在控制系统自检验过程中，系统响应了按键后，会通过控制系统中继电器模块，对 截止阀进行关闭，控制系统中的继电器模块设计包括继电器的选型、继电器驱动设计、 控制器对其控制程序设计等，具体如下。 本控制系统继电器模块设计的初衷是通过其对电动截止阀进行打开或关闭的控制， 电动截止阀是一种用电来控制自身开关的液压元件，通过对电动截止阀的供电进行控制 即可，而继电器是一种通过小电流控制大电流通断的设备，正是这个原因本控制系统设 计了继电器控制部分。它的功能是通过小电流的输入控制大电流的通断，相当于一个可 控的开关，继电器可分为多种，有电磁式继电器、磁电式继电器、电动式继电器等等【l8 1 ， 目前在工业控制领域应用比较广泛的是电磁式继电器。电磁式继电器是当电流通过线圈 时产生电磁吸引力，使触点在电磁吸引力的作用下闭合，当电流没有时，这种吸引力消 失从而使触点分开，因此这种继电器可以通过控制电流实现继电器的开、闭。 电磁继电器由感应机构、变换机构、比较机构和执行机构组成。感应机构是电磁线 圈，变换机构也就是将电能转换成机械动作的机构，它包括了铁心、衔铁等；比较机构 包括反力弹簧；执行机构就是接触点。 由于继电器能够通过电信号来控制机械结构的运动，因此本控制单元采用继电器模 块来控制截止阀的等机械结构的关闭。控制系统继电器部分电路设计原理如图3 - 6 。 图3 - 6 控制系统继电器模块电路原理图 控制器的控制信号通过光耦与2 8 0 4 驱动接电磁继电器，通过电磁继电器控制机械 结构的运行与停止。 光电耦合器通过电一光一电的转换从而有效的隔离干扰源的进入，如果干扰信号不 第三章控制系统具体功能设计实现 被滤除，则会影响系统测量、控制的精确性，产生错误动作影响正常工作。由于本课题 研发的控制系统要应用于工厂车间中，现场的环境比较恶劣，产生的噪声干扰也比较大， 通过光耦的连接可以阻止这些干扰信号进入到处理器中，有效减少错误控制信号，从而 能够提高控制系统的准确性。 光耦内部包含了电控器件和光控器件，电控器件指接受电信号控制产生光亮的发光 器件而光控器件指接受这个光而产生电信号的元件，通过这些器件来实现信号传递，其 中的介质为光。其内部结构如图3 7 。当控制信号接入到光耦的输入端后，输入端形成 回路，发光二极管发光，此时右侧的光敏元件受到光照后，三极管导通使得光耦的输出 端也产生回路使得右侧电路导通【i9 1 。而这种光电光变化的电路为何能减少外界信号影 响呢，主要原因如下： 1 由于干扰信号是经常存在的且完全消除它的可能几乎没有，因此考虑降低干扰信 号对实际电路的影响，光耦的工作就是基于这种想法的，发光二极管在接收到干扰源后 产生的是很微弱的电流，如此微弱的电流不能使发光二级管点亮，因此也就不会影响光 耦的输出端信号，故可以有效的去除干扰信号； 2 干扰一般都是通过输入与输出通道进入系统来影响系统稳定工作的，因此割断输 入输出间的联系可以有效的隔断输入输出间干扰的相互传递，光耦的工作原理也是基于 这一理念的，它的输入输出间是分开的，没有连接，只通过光为介质，因此可以有效的 抑制干扰； 3 光电耦合输入和输出之间可以承受的电压很高，因此通过光耦可以对系统进行安 全保证【2 0 】f 2 l 】。 由于控制系统通过继电器模块控制电动截止阀的关闭，因电动截止阀驱动电流相对 较大，而单片机控制信号通过光耦后，虽然驱动电流有了一定的提升但是还达不到对截 止阀的驱动要求。故在设计时应加入驱动能力提高的设计，本控制系统采用u l n 2 8 0 4 来提高驱动电流。 输 入 z ： 辅 _ 蹬 图3 7 光电耦合结构图 控制系统响应按键后，经过处理，确定是密封性检测后，关闭截止阀，此时控制系 统会通过系统中电机驱动模块驱动电机转动，从而提供油液，与此同时由于截止阀关闭 油液压力无处传递，故内部压力持续增加，当压力增加到一定程度时，停止电机工作。 这一过程，控制系统通过其驱动电机模块实现，包括了电机的开始、停止、正转、反转 等，具体设计内容如下。 由于本文研究实现一种控制系统，核心是通过数字可控的给油方式实现液压缸行程 的精确控制，为了使供给的油液可控故控制系统动力输出部分即电机驱动模块采用步进 第三章控制系统具体功能设计实现 电机实现，因为步进电机的控制是数字的。步进电机正如其名字所述，电机的运动是步 进的，即通过一种控制信号控制，使步进电机步进运动，步进电机的步进运动就是通过 电能做功产生角位移的过程，而这种转化过程是在一种控制信号的干预下进行的，而这 种控制信号是一种简单的数字脉冲信号，因此步进电机是数字可控的。它是自动控制系 统中应用最为广泛的功率执行元件，由于步进电机的工作特性，选取步进电机作为动力 供给。由于不同步进电机的输出功率与步距角等都不一样，故应该根据控制系统具体要 求选择合适的步进电机型号。 在控制系统设计中应根据实际应用中具体的参数指标选择合适的步进电机。在选择 步进电机时，由于步进电机是根据控制脉冲来转动相应步距角的，可知如果步进电机的 步距角足够小则步进电机的控制精度是很高的f 2 2 j ，从精度上考虑要选取步距角小的电 机，但是如果步距角太小，步进电机运行一定角位移的时间就会明显增长，这就需要在 控制系统设计时综合考虑。对于不同型号的步进电机步距角是不同的，因此应根据系统 要求选择合适步距角的步进电机。对于本控制系统，除了考虑步进电机步进角的选择还 需要根据步进电机的具体功能选择合适的输出功率，输出功率的要求是电机选择的十分 重要的参考标准瞄l 。对于本控制系统，所选择的电机的额定功率除去传动、摩擦等功率 损失后仍能大于被驱动元件的输入功率，即步进电机有足够的能力带动柱塞缸中柱塞移 动，因此步进电机的额定功率应大于柱塞缸移动所需功率；柱塞缸移动所需功率为 f v 已= 1 0 0 0 ( 3 - 6 ) 公式中f 为柱塞所受压力，v 为单位面积液体流量，压力的大小取决于负载压强， 而流量又取决于速度。我们设定控制系统控制柱塞缸的流量为4 x 1 0 西朋3 s ，假设负载 最大值压强为4 0 0 m p a ，选取的柱塞缸的直径为2 0 m m ，故可知 ，；一fv：=掣两4x10-6p 11000 6 m p 7 ， ；：兰2 ：6 k wr 3 7 、 ” 1 0 0 0 一，j 、2 rv 万引 故控制系统所选择步进电机的额定功率应大于上述计算结果。 考虑了步距角、输出功率等因素后，要考虑选取什么结构的步进电机。步进电机分 为反应式( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，v r ) 、永磁式( p e r m a n e n tm a g n e t ，p m ) 和混合式( h y b r i d s t e p p i n g ，h s ) 口4 1 ，由于对给定的电机体积，混合式电机产生的转矩比反应式电机大，而 且混合式电机的步距角比永磁式的小，因此本课题选用四通公司两相混合式步进电动机 8 6 b y g 2 5 0 a n ，其额定输出功率6 0 k w 与上文计算相比，远远大于柱塞缸所需功率，故 除去摩擦等损耗后，依然能够完成驱动功能。混合式步进电机内部可分为两部分，一部 分为固定部分称为定子，另一部分为可转动部分称为转子，步进电机定子上又分为多个 区域，称为极，定子上有多个缠绕的绕组线圈，这些线圈中电流的方向可以任意。步进 电机的转子包括两块齿片，他们上面都有一些分布平均的齿，转子的两块齿片不是重叠 的而是错开了一定的齿距。步进电机的转子是由永磁材料做成或其中夹有环形永磁材 第三章控制系统具体功能设计实现 料，因此同一块转子片具有相同极性，而不同转子片极性相反瞄】。本课题选用的步迸电 机步距角为1 8 。，静态相电流3 6 a ，转动惯量5 6 0 9 e m 2 。在本控制系统设计时选择与 此步进电机配套使用的驱动器s h 2 0 8 0 6 n ，不再单独设计步进电机的驱动。应用此驱动 器可以方便高效的实现对步进电机的控制，提高了电流的控制精度，降低电机损耗3 0 ， 驱动器输入端有公共端、脉冲信号输入、方向信号输入、细分选择信号【2 6 1 。公共端为共 阳极接法故应连接正电源，脉冲信号输入端接脉冲输入是驱动步进电机运行的激励，其 中脉冲低电平持续时间不应少于3 0 0 n s ，最高脉冲响应频率不能高于2 m h z ，方向信号 输入端主要用于控制电机的转动方向。步进电机驱动器与处理器连图如图3 8 。 控制器 图3 - 8 步进电机驱动器与处理器连接图 控制系统中步进电机承担了动力输出的任务，其电路设计原理图如图2 1 l 。由于步 进电机是数字脉冲控制的，因此要想实现步进距离的准确控制，应该采用精确的脉冲信