（机械电子工程专业论文）轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 近年来运输物流的中长距离超载、超速现象，造成了轮胎使用中大量的早期损坏， 给行车安全带来了很大威胁。为了能够提前预知轮胎质量，出现了轮胎寿命试验机。伺 服控制器是轮胎试验机的关键部分，其控制精度直接影响着轮胎的耐久性试验结果。本 文针对现有国内轮胎试验机液压控制系统的不足，提出了基于单片机的数字控制系统方 案。 通过对轮胎寿命试验杌液压系统的实际工作过程分析，本文研制的数字控制系统包 括液压伺服数字控制器和上位机监测系统两部分。伺服控制器完成比例伺服阀的控制， 从而实现轮胎试验过程中的加载负荷与速度控制。上位机监测系统方便观察试验过程的 控制结果。 数字伺服控制器的核心控制单元采用1 r i 公司的1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 1 6 9 ，其片上 资源丰富、抗干扰性强。通过编制的下位机软件的支持，控制器完成信号的处理、运算、 形成输出，进而实现对伺服阀的开环流量和闭环力控制。硬件采用模拟线性电源、数字 开关电源的独立电源结构，结合光电隔离、外壳屏蔽等提高系统的抗干扰性能。软件上 采用了超级循环和时间片系统相结合的结构，实时性强，设计简单；控制方法上，采用 多组参数分段p i d 控制，并取得了良好的控制效果。上位机监控系统软件采用v i s u a l b a s i c 语言编制，完成控制参数的设定、修改与保存，以及控制曲线的实时绘制和指定 目录下的b m p 格式保存。 关键词：轮胎寿命试验机；比例伺服阀；m s p 4 3 0 ；串行通讯；p i d 控制 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 d i g i t a lc o n t r o l l e ro ft i r ee n d u r a n c et e s t i n gm a c h i n eh y d r a u l i cs e r v o s y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eo v e r l o a d i n g , o v e r s p e e dp h e n o m e n o no fm i d d l ea n dl o n gd i s t a n c e l o g i s t i c st r a n s p o r t a t i o nc a u s eam a s so fe a r l yd a m a g ei nt i r eu s a g e , a n db r i n gag r e a tt h r e a tf o r t r a 蚯cs a f e t y t h ea p p e a r a n c eo ft i r ee n d u r a n c et e s t i n gm a c h i n em a k e sf o r e c a s t i n gt h et i r e q u a l i t ya h e a do fs c h e d u l ep o s s i b l e t h es e l v oc o n t r o l l e ri st h ek e yp a r to f t i r et e s t i n gm a c h i n e ， w h o s ec o n t r o lp r e c i s i o n d i r e c t l yi n f l u e n c e s t h er e s u l to fe n d u r a n c et e s la i m i n ga tt h e i n s u f f i c i e n to fe x i s t i n gh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fd o m e s t i ct i r et e s t i n gm a c h i n e ，ad i g i t a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c ui sp r o p o s e d b ya n a l y z i n gt h ep r a c t i c a lw o r kp r o c e s so ft i r ee n d u r a n c et e s t i n gm a c h i n eh y d r a u l i c s y s t e m , t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sd e s i g n e di n t h i sp a p e ri sc o m p o s e do fd i g i t a l c o n t r o l l e ra n d u p p e rc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m s e r v oc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oa c c o m p h s h t h ec o n t r o lo fp r o p o r t i o n a ls e l h , ov a l v e ，s oa st or e a l i z et h el o a d i n ga n ds p e e dc o n t r o li nt h e t i r et e s t i n gp r o c e s s t h eu p p e rc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mm a k e st h eo b s e r v a t i o no fc o n t r o l r e s u l t si nt h et e s t i n gp r o c e s se a s y t h cc o r eu n i to ft h ed i g i t a ls e l v oc o n t r o l l e ri sm s p 4 3 0 f 1 6 9 ( 1 6 b i t s t ic o r p o r a t i o n ) , w h i c hi sr i c hi no n - c h i pr e s o u r c e sa n dh a sh i g hi n t e r f e r e n c er e i e c t i o nc a p a b i l i t y s u p p o r t i n g b yt h el o w e rc o m p u t e rs o f t w a r e ，t h ec o n t r o l l e rc a na c c o m p l i s hp r o c e s s i n ga n dc a l c u l a t i o no f s i g n a l s ，a n dt h e ni t so u t p u tr e a l i z e s0 p e n - l o o pa n dc l o s e d l o o pc o n t r o lo ft h es e r v ov a l v e t h e i s o l a t e ds t r u c t u r eo fp o w e rs u p p l yi n c l u d i n ga n a l o gl i n e a rp o w e ra n dd i g i t a ls w i t c hp o w e r , a n dt h em e a s u r e sf o rp h o t o e l e c t r i ci s o l a t i o na n ds h i e l d i n ge n c l o s u r ea r ea l lu s e dt oi m p r o v e s y s t e mi n t e r f e r e n c er e i e c t i o nc a p a b i l i t yi nt h ed e s i g no fc o n t r o l l e rh a r d w a r e t h es o f t w a r e s t r u c t u r eb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fs u p e rc y c l ea n dt i m es l i c es y s t e mh a ss t r o n g r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n di ss i m p l ei nd e s i g n ；t h ep i e c e w i s ep i dc o n t r o la l g o r i t h mw i t h m u l t i p l ep a r a m e t e r si sa d o p t e di n $ e r v oc o n t r o l l e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t , a n dh a sg o tg o o d e f f e c ti np r a c t i c e t h ep cm o n i t o r i n gs o f t w a r eu s e df o rs e t t i n ga n dm o d i f y i n ga n ds t o r i n g c o n t r o lp a r a m e t e r si sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i cl a n g u a g e i tc a na l s or e a l i z ew o r k i n gc u r v e s d r a w i n ga n ds a v i n gi nt h ea p p o i n t e dp a t hi nb m p f o r m a t k e yw o r d s ：t i r ee n d u r a n c et e s t i n gm a c h i n e ：p r o p o r t i o n a ls c t v ov a l v e ：m s p 4 3 0 t s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ：p i dc o n t r o l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均巳在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：硷垒蕴日期：丝翌! 竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：秘 导师签名：墨丝圣丝 型2 年生月上墨日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 随着我国经济的发展和改革开放的深入，我国汽车行业有了长足的进步，汽车零件 与配套产品也得到相应的发展，汽车数量显著增加。但是随着汽车行业的蓬勃发展，交 通事故发生率也在不断增加，由此，汽车相关零部件的安全性能引起了人们的重视。 汽车轮胎作为汽车的重要部件之一，不仅承受了汽车的全部载荷，而且产生驱动力 与制动力，让我们驾车行动自如同时，轮胎还吸收和缓冲了一部分直接来自路面的冲 击和振动。轮胎与汽车的燃油经济性、车轮回正、转向特性及车轮定位等都有密切关系， 一旦轮胎出现问题，将直接影响汽车的驱动性、平顺性、稳定性、安全性和舒适性等。 近年来，随着我国公路建设的飞速发展和汽车性能的日益提高，用户对轮胎负载性 能的要求也日益严格。再加上近年来运输物流中长距离超载、超速现象严重，造成轮胎 使用中大量出现了早期损坏现象，给行车安全带来了很大威胁。同时由于轮胎质量原因 造成居高不下的退赔率也使竞争自热化的轮胎企业不堪重负1 1 1 为了使轮胎质量能够适 应市场发展的需要，提高企业的经济效益，我们很希望能够提前预知轮胎的质量。轮胎 耐久高速性能试验机正是基于这一目的而研制开发的。 轮胎耐久高速性能试验机是用于检验轮胎使用寿命的机械，即测定室内模拟轮胎在 一定的负荷和速度下连续行驶的最高里程数，又称轮胎里程试验机。主要由模拟路面的 转鼓、加负荷装置、传动装置及检验测试系统等组成。一般每一个转鼓可以在其两侧设 置同时进行两个胎位的试验。常用的试验机有2 工位和4 工位等。试验时，先将轮胎装 上轮辋并安装在加负荷装置的轮轴上，轮胎靠贴在转鼓表面并加负荷，转鼓由电机驱动 回转，轮胎被动旋转，即模拟轮胎在路面上行驶。根据测试标准，其负荷和速度的试验 阶段程序由液压伺服控制系统设定调节，检验测试系统和数据处理系统将每个工位轮胎 的各个试验阶段程序的负荷、速度和里程等各项值，分别进行记录和显示。 1 2 国内外技术现状及发展趋势 1 2 1轮胎试验机现状及发展趋势 由于轮胎是汽车性能的体现者，为了满足汽车的各项性能要求，几十年来对轮胎进 行了多方面的试验研究，并不断完善试验方法和标准，满足了现代汽车高速、安全等使 用要求轮胎的性能要求主要包括高速耐久性、高速性能、牵引性( 湿路面、干路面、 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 雪地) 、滚筒阻力、力和力矩，噪声、气压保持、均匀性和平衡度等方面，其中高速耐 久性是一个极其重要的标准1 2 】。 近年来，国际上不断涌现许多新型的高性能、多功能的轮胎试验机。1 9 9 9 年，德国 b e i s s b a r t h 公司开发了一种称作m t t 2 1 0 0 微型轮胎试验机的新型轮胎试验装置，该试验 机通过软件对所得信息进行对比和解释，以图像显示结果，可以在线分析轮胎性能。2 0 0 1 年4 月，世界著名的轮胎制造商荷兰v m i 公司生产出通用轮胎试验机，可进行负荷变 形试验、胎圈离位试验、轮胎压穿试验和接地印痕试验四种轮胎性能测试。2 0 0 3 年2 月，日本普利斯通公司在东京的技术中心安装了一台世界上最大的汽车轮胎试验机 m t s 模拟路面动态系统，该试验机在速度、垂直输入、侧向力和扭矩等方面的测试指 标均胜过其他汽车轮胎试验机，并可评价轮胎在拐弯、刹车时的特性以及高速和大负载 下的加速度。 我国的轮胎试验机研究起步较晚，早期主要依靠引进国外设备。近年来，我国在轮 胎试验机的设计和研究方面也有了很大的进展，出现了多家自行研制和开发轮胎试验机 的单位和企业，开发出多种类型的轮胎试验机，如广州市橡胶工业制品研究所的双二位 轮胎耐久高速试验机，天津赛象科技股份有限公司的轮胎高速耐久试验机，国家轮胎质 检中心及广东汕头橡塑机械所联合研制的轮胎强度脱圈静负荷试验机等。 随着汽车工业的发展，对轮胎的环保、节能和安全性能将会有越来越高的要求，对 汽车轮胎开展安全、节能和环保方面的试验研究以及轮胎产生的噪声研究势在必行，这 也将为轮胎设计及其计算机模拟仿真提供重要的数据。通过试验设备的研发和试验场的 完善，轮胎的试验研究将进一步快速发展。 1 2 2 轮胎试验机液压伺服控制系统现状及发展趋势 传统电液控制系统经过5 0 多年的发展，在各方面的发展已趋于成熟，例如其核心 元件伺服阀，经过几十年的不断改进，从结构、材料、加工精度等方面日臻完美，通常 设计上所作的修改只不过是为提高阀的性能、增加产量或降低成本所作的一些细微的修 正。但随着现代高新科技的飞速发展，电液控制技术日益受到来自电子、机械技术的竞 争压力，为了保持竞争力，并不断满足日益苛刻的工作条件和要求，液压技术必须从三 个方面进行发展：( 1 ) 充分利用并不断加强液压技术固有优势；( 2 ) 补偿并改进液压技术 的不足：( 3 ) 借鉴并吸收其它技术的优点。因篇幅所限，本文仅从第三个方面来探讨液压 技术的现状和发展 3 - s l 。 ( 1 ) 电液元件 电液比例阀技术 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 早期的比例阀，产生于2 0 世纪6 0 年代，仅将比例电磁铁用于控制阀，控制阀原理 未变，但性能较差，常用于开环控制。到2 0 世纪8 0 年代初期，比例阀完善了控制阀设 计原理，采用各种内外反馈、电校正，耐高压比例电磁铁、电控器件特性大为提高，稳 态特性接近伺服阀，但有零位死区，既可用于开环，也可用于闭环控制。伺服比例阀产 生于2 0 世纪9 0 年代中期，制造精度、过滤精度矛盾淡化，首级阀口零遮盖，无零位死 区，用比例电磁铁作电- 机械转换器，二级阀主级阀口小压差，用于闭环控制( 闭环比 例法) 。 元件的数字化 当前，由于微电子技术的迅速发展，其向各个领域的渗透已成为该领域的发展方向， 同样，电子技术同液压技术的结合，也是液压技术发展的一个主要方向。在元件级上可 以理解为“内装”和“集成”双重的涵义，通过把电子控制装置安装于传统阀、缸或泵 内，并进行集成化处理，形成种类众多的数字产品。 在数字化元件中，系统的性能是由软件控制的，所以要改变设计方案，只要改变相 应的程序即可；同时，也可以方便地实现多种功能。为了得到较高的控制精度，可以通 过内部的微处理器进行数字化补偿解决。 ( 2 ) 电液控制系统 有了数字化的电液元件，液压系统进行数字化控制也是顺理成章的事了，一般说来， 计算机在液压系统中的应用主要有以下五个方面。 闭合环路将计算机用作使环路闭合的伺服控制器，即代替模拟或数字式求 和点并处理误差信息以驱动液压控制器。 环路前处理在普通闭环伺服机构之前处理指令信息，即作为模拟伺服机构 的环路前处理器或指令发生器，这是目前应用最为广泛的 外围处理在普通闭环伺服机构之前和之后处理信息。 自适应控制自适应控制是计算机在电液控制系统中的典型应用，由于自适 应控制系统通常是非线性的，并具有多个相互作用的环路，要求能够辨识参数的变化并 自动进行调整。计算机的应用大大地促进了自适应控制技术的发展。 “灵巧”的多余度控制为了提高重要系统的可靠性，多余度在电液伺服控 制系统中的应用越来越多，利用计算机可以确定哪个元件失效及失效的程度，局部失效 不会引起整个系统停工，根据系统的需要而不是根据保守的预定尺度来判断失效。 ( 3 ) 现代控制理论的应用1 6 电液控制系统属于本质非线性和不确定性系统，如电液伺服阀的压力流量特 性、液压动力机构( 如非对称缸) 的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线性：而不 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 确定性因素则包括外来干扰力、温度变化、油源压力和流量脉动等。为了提高电液控制 系统的精确性和适用性，几十年来，随着现代控制理论的不断发展，报道电液控制系统 采用现代控制理论的文献层出不穷，而且均取得了良好的效果。 从以上的论述中可以看出，电液控制技术已经开始向数字化发展，液压技术同电子 技术、控制技术的结合日益紧密，从而使电液元件和系统的性能有了质的飞跃，加强了 市场竞争力，为液压工业的发展开辟了广阔的天地。相应地，这也给产品的开发和使用 带来了新的挑战，如b o s c h 公司已经取消了h p 部( 液压气动部) ，而成立了a t 部( 自 动控制技术部) 。 轮胎试验机液压伺服控制系统是轮胎试验机的关键部分。目前大多使用模拟控制， 即由运算放大器和功率电子元件为主组成控制放大电路。由于模拟器件的分散性和组成 电路的特点，其控制功能简单，难以适应各种需要场合，并且存在明显的温度漂移和零 点漂移。参数设定需用电位器调节，且调节结果不易被复制或记录。出厂时设定好的参 数一旦改变就不易恢复。此外，电位器的频繁调节对电位器产生磨损，出现故障非专业 人员难以排查。 数字伺服控制则可避免上述弊端。参数设定可通过p c 或总线完成，避免了活动元 器件的机械磨损。所有调节不仅能自动记录或打印出来，还可以实现密码保护，防止他 人擅自修改造成故障。也可应用于多点多通道协调加载系统中，通过人机对话方式完成 系统设置和测试工作。同模拟控制器相比，它集成系统控制功能于一体，使得阀控系统 具有更高的经济性、可靠性和灵活性和使用维护的方便性，使得它具有较广阔的应用前 景。 1 3 论文主要工作 目前国内有些厂家进行轮胎高速耐久性试验机的研制开发，大都采用液压伺服控制 系统，所采用的伺服控制器多数为b o s c h 模拟控制板卡。本文研制开发了一种基于单 片机的具有自主产权的液压伺服数字控制器，对轮胎试验机的伺服控制系统进行了国产 化尝试。 该数字式伺服控制器是轮胎试验机的工程实际使用项目，根据产品要求，大体确定 以下研究内容： ( 1 ) 开发谫套既有联系，又能独立工作的系统：伺服数字控制嚣与上位机数据采集 系统； ( 2 ) 伺服数字控制器所要解决的主要问题 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 在实际的工作过程中，包括停止、开环快进、进入力闭环、开环快退四个状态。 控制器首先检测p l c 发送的行进开关量控制信号，同时接收现场p l c 系统传过来的设 定负载压力模拟信号p s 和轮胎测试实际压力的反馈模拟信号p f 。输入的模拟信号和数 字信号均需采取隔离。 将上述模拟量转换为数字量，经过调零、调满之后，一方面送数字量到l c d 显 示，另一方面根据情况判断并选择开环速度控制或是闭环压力控制。通过d a 转换将控 制值送到伺服控制系统中。输出的信号需与现场信号隔离。 ( 3 ) 上位机数据采集系统所要解决的主要工作 通过该软件在线修改参数，并设置参数的掉电不失保存。 通过该软件接收下位机的数据，并实时绘制开环速度控制或闭环压力控制的控 制效果曲线( 以时间为坐标) 。 通过该软件在线标定传感器。 通过该软件在线保存工作中的控制曲线采样图片。 ( 4 ) 该系统要达到较高的稳定性、快速性。 分析轮胎试验机的实际工作过程以及现场的调研分析，本文的研究工作主要有以下 几个方面： ( 1 ) 总体方案规划 主要介绍了系统总体框架的组成和结构，提出了以单片机为控制核心的测控系统。 ( 2 ) 系统硬件电路的研制 主要介绍了单片机系统中各部分功能模块的具体实现方法和原理，并对所需元器件 进行了比较与选择，同时介绍了各模块具体硬件实现电路设计。 ( 3 ) 系统软件编制 主要介绍了系统中各项功能的软件实现方法，并给出了部分程序流程图和程序。 ( 4 ) 与p c 机通讯软件编制 主要介绍了上位机监测系统的软件实现方法，给出了部分程序流程图和程序。 ( 5 ) 系统可靠性及抗干扰设计 主要介绍了为提高系统的可靠性与抗干扰能力而采取的相应措施，包括硬件抗干扰 措施和软件抗干扰措施两方面。 ( 6 ) 系统调试及误差分析 分别介绍了实验室调试和现场调试步骤以及调试方法，并对调试过程中出现的问题 进行了分析；最后，对本系统的综合误差进行了具体分析并总结了该系统的技术特征。 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 2 系统总体规划 2 1 轮胎试验机的液压伺服系统简介 图2 , 1 为轮胎试验机液压系统的示意图，执行器主要包括比例伺服电磁阀和液压缸。 液压系统中使用的伺服阀是m o o g 公司的d 6 3 3 6 3 4 系列直动式伺服控制阀( 带供电电 源为2 4 v 的集成放大板、。 2 0 世纪7 0 年代初，日本等国先后推出了电液比例阀。到2 0 世纪8 0 年代末，比例 阀已占领了部分市场，2 0 世纪9 0 年代初，随着电子技术的飞速发展，比例阀的改进出 现了质的飞跃，像m o o g 公司推出d 6 3 3 和d 6 3 4 电液伺服阀，a t o s 公司、b o s c h 公司等推出了伺服比例阀，这种类型的阀在结构上与比例阀相似，而性能达到了喷嘴挡 板式电液伺服阀的各项指标，短短几年内，在欧美市场上得到了广泛应用并已占领了我 国国内部分市场 7 1 。m o o g 公司的d 6 3 3 d 6 3 4 伺服阀的主要特征有：动态性能不受压 力影响；低滞环和高分辨率；液压零位和接近液压零位时低功耗；标准化的阀芯位置检 测信号，可通过此信号获碍系统运行情况，对阀的维护有利；电气零位调节；当断电或 电缆损坏或紧急停车时，阀芯会无需使用外力自动返回到其弹簧对中位置【羽。 图2 i 轮胎试验机液压系统示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cv i e wo ft e s t i n gm a c h i n eh y d r a u l i cs y s t e m 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 2 系统总体设计方案 本课题最终实现的总体功能是：以液压伺服数字控制器为核心对轮胎试验机液压缸 进行开环流量和闭环力控制，实现轮胎试验过程中的负荷和速度控制。 伺服阀控制器接收控制中心( p l c ) 的控制信号和反馈元件的反馈信号，通过运算 处理控制比例伺服阀。与此同时对控制中心设定载荷力与液压缸的实际力( 电压值) 进行 显示便于操作者观察控制效果。另外，系统可以和p c 机相连，进行参数设定和实时数 据采集，提高系统的智能化。 总体方案设计示意图如图2 2 所示。 r s 2 3 2 接口 图2 2 总体方案设计示意图 f 碴2 2s c h e m a t i c v i e w o f g e n e r a ld e s i g n 2 3 数字伺服控制器设计方案 根据工况要求，数字伺服控制器需实现开环流量控制和力闭环p i d 控制，可以实现 开、闭环状态的自动检测与转换。在开环自动切换至闭环p i d 调解时晌应灵敏度高。在 闭环控制状态过程中，为试验轮胎加载不同的负荷值，需要不同的设定输入信号变化， 一种载荷到另一种载荷的变化过程稳定、迅速。 伺服控制器采用微处理器与专用信号处理电路结合的硬件设计，结合现代控制理论 将输入、设定、控制、显示、输出等整合为一体，形成新型的控制仪器。 大大地简化了控制系统的设计，安装，调试、操作和维护，并使可靠性提高，系统 造价和运行维护费也会显著降低。 一7 一 o + 人 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 本文的数字伺服控制器所实现的主要功能有： ( 1 ) 接收控制中心p l c 的开关量控制命令：快进、快退信号，采用光电隔离后输入 微控制器； ( 2 ) 接收控制中心p l c 的设定负载压力模拟信号p s ( 肌1 0 v ) ，硬件采用线性隔离后 经由专用的信号调理电路转换成相应的数字量信号； ( 3 ) 接收轮胎试验机系统中的反馈部件称重传感器的反馈模拟信号p f ( 4 2 0 m a 或 0 - 1 0 v ) ，经专用的信号调理电路整定成相应的数字量； ( 4 ) 根据控制状态、给定负载以及实际称重传感器的反馈负载压力值，控制器自动 判断工作的开、闭环状态并实现状态间的自动转换； ( 5 ) 通过控制器自身的液晶显示器及指示灯，实现当前工作状态重要结果的显示以 及对系统工作故障报警，并及时处理故障： ( 6 ) 与p c 上位机通过r s 2 3 2 接口通讯，实现控制参数的调试、修改与保存，以及 工作现场数据、状态曲线的采集与保存，调节方便直观，省去了调节旋钮及示波器。 数字伺服控制器的总体方案框图如图2 3 所示。 图2 3 数字伺服控制器设计框图 f i g 2 3b l o c k d i a g r a m o f d i g i t a l c o n l z o l l e r 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 4 上位p c 机监控系统方案 轮胎试验机的液压伺服控制系统，目前使用的多是模拟板卡控制或基于p l c 的现 场控制。在模拟板的调试过程中，控制参数的修改需要通过旋转电位器来实现，控制效 果的观察需要从控制柜连接示波器来实现，调试笨重、不方便，需要多人配合。基于 p l c 控制的调试过程中，观察实际反馈负载与给定负载的比较关系只能通过p l c 编程 环境下的寄存器值来观察，这样使得闭环控制的整个响应曲线观测不直观，影响参数的 修改。 本文研制开发的数字伺服控制器则采用r s 2 3 2 接口与p c 机通讯，参数修改与保存、 控制效果观测以及现场数据的采样都可通过上位机轻松完成，简化了现场接线，调试过 程也只需一台笔记本电脑即可。 根据实际的工况要求，上位p c 机监控系统的主要功能有： ( 1 ) 参数设定及保存：包括开环流量控制的电压值，以及各斜坡电压；闭环p i d 控 制的p 、i 、d 参数；调试结束后，将最终参数值保存到下位机的e e p r o m ，保证重新 上电后参数不会丢失 ( 2 ) 实时观察控制效果：包括开环流量控制：可观察输出电压的变化。闭环p i d 控 制：可观察设定负载压力，实际反馈压力和输出电压之间的变化关系。 ( 3 ) 保存控制效果画面：上位机界面设计了保存按钮，可随时将控制曲线保存至电 脑的指定路径，方便调试分析及不同工况的控制效果比较。 ( 4 ) 传感器标定：控制系统除可在硬件上对传感器标定外，也设计了软件标定功能， 可以通过上位机方便的进行。 ( 5 ) 提供良好的人机界面：上位机人机界面程序在w i n d o w s 系统下采用v i s u a lb a s i c 语言编制，通过v b 环境的m s c o m m 控件实现控制器与p c 机之间的通信，通过p c 机 自身的a p l 函数b i t b l t 实现效果曲线的绘制。 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 3 控制器系统硬件设计 3 1 控制功能简介 数字伺服控制器的主要功能是在控制中心p l c 的控制下实现试验轮胎的快进、快 退的开环控制，并且实时比较反馈压力与给定负载压力，在满足条件时自动进行闭环控 制。闭环控制的目标是使轮胎在不同速度下所受的压力与给定负载压力相等，开、闭环 的转换过程有很高的灵敏度。试验轮胎从一种载荷切换至另一神载荷时的控制过程要稳 定、迅速。 3 1 1 开环流量控制 开环流量控制信号由控制p l c 给出，包括快进、快退、停止三个信号，对应着轮 胎试验机工作过程中的工作状态。试验轮胎从远离转鼓时开始整个工作循环：快进一减 速一检验一快退，如图3 1 所示。 速度 叫 ； 1 ) 快进；2 ) 减速；3 ) 检验 图3 1 速度、力与行程关系图 f i g 3 1r e l a t i o n c h a r t o f s p e e d ，s t r e n g t ha n d j o u r n e y 在快退工作过程中，伺服阀由现场p l c 控制，此时数字伺服控制器的输出只需保 持为零。 图3 1 中参数意义： 大连理工大学硕士学位论文 a 1 一快进的加速斜率，a 2 快进的减速斜率，v m a x 一快进的最大速度。为了满足 不同的试验要求，上述参数均应能方便修改调整，并实现断电保存。 3 1 2 闭环力控制 闭环力控制的目的是使轮胎的实际受力等于设定负载压力值。 ( 1 ) 设定压力：p s 由现场p l c 给出。 ( 2 ) 实际压力：即为反馈压力，是试验轮胎压在转鼓上的实际受力p f ，通过力传感 器测量。 ( 3 ) 进入闭环条件：自轮胎开始“快迸”运行时，控制器自动实时检测是否满足进 入闭环力控制条件。当力传感器的实际压力接近相应的设定压力输入信号时，伺服控制 器自动执行力的闭环控制。 3 2 硬件总体结构设计 3 2 1 系统硬件设计原则 作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，功能需求确定的情 况下重要考虑的就是系统的硬件电路设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单 片机的功能单元，如r o m 、r a m 、i o 口、定时计数器、中断系统等容量不能满足应 用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统 配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、a d 、劲a 转换 器等，要设计合适的接口电路1 9 1 1 1 0 l 。 本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则： ( 1 ) 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块 化打下良好的基础； ( 2 ) 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适 当的余地，以便进行二次开发： ( 3 ) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响， 考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意， 由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用c p u 的时 间( 比如延时程序) ； 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 ( 4 ) 整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存 取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择c m o s 芯片单片机构成低功耗 系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品； ( 5 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选 择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等； ( 6 ) 单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系统工作 不可靠。 3 2 2 控制器硬件总体结构 控制器的总体设计思想是：以微处理器为核心，辅以功能强大的外围模拟、数字电 路功能模块，实现从接收控制命令、数据采集与运算、驱动比例伺服阀，到故障的报警、 处理等全方位开、闭环控制及两者的自动转换，满足实际工程的测试需求及响应灵敏度 与稳定度，实现控制的数字化。 根据工程需求，根据整个液压伺服控制系统的信号通道类型来划分，数字控制器主 要由以下几个部分组成( 如图3 2 所示) ： 图3 2 控制器硬件系统框图 f i g 3 2b l o c kd m s r a mo f c o n t r o l l e rh a r d w a r es y s t e m 第一部分：前向通道 大趣工大学硕士学位论文 ( 1 ) 实际压力信号p f 与设定压力信号p s 的采集与处理：p f 是作为反馈部件的力传 感器信号( 4 - 2 0 m a 电流信号或0 - 1 0 v 电压信号) ，为了提高抗干扰能力，控制器提供 传感器的工作电源；p s 是控制p l c 所设定的负载压力信号( 0 - 1 0 v 电压信号) ，采用 线性隔离的方法提高抗干扰能力。p f 与p s 经由控制器的a d c 转换成为与微控制器电平 相符的数字信号，等待进一步的计算： ( 2 ) 系统开关控制信号的输入与处理：控制中心p l c 的开关控制命令包括试验轮胎 的快进( a d v a n ) 、快退( b a c k ) ，经过光电隔离转换成与微处理器电平相符的开关信号，为 控制系统的计算提供依据。 第二部分：微处理器运算与监控 ( 1 ) 结合控制命令信号，比较设定压力与实际压力，自动判断执行开环流量控制还 是闭环压力控制，控制转换过程平稳、快速； ( 劲随时扫描键盘等外围接口，执行紧急处理及故障处理指令；并实时接收上位机 的控制命令，快速响应并将结果送回给上位机。 第三部分：后向通道 ( 1 ) 微处理器程序运算后的数字结果，通过d a c 转换及线性隔离与信号调理通道 后，控制比例伺服阀的阀口开度，控制液压缸动作，实现轮胎负载与速度控制【1 1 】【垃】； ( 2 ) 根据工程需要，在控制器的工作过程中，实时地将测量的实际压力值经过d a c 转换及相应的线性隔离和信号调理电路，输出至现场的二次仪表显示，便于观察控制效 果。 第四部分：人机通道 ( 1 ) 将经过运算处理的实际压力送控制器自带的l c d 显示： ( 2 ) 对系统故障进行判断，通过发光二极管指示故障情况； ( 3 ) 通过开关键盘，可以预先设定阀门的一些工作状态或者在出现紧急状况时，通 过键盘处理事故。 第五部分：相互通道 液压伺服数字控制系统与p c 机之间传送控制指令或数据，信号传送要遵循一定的 通信规则和编码要求。 3 3 微控制器芯片选择 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t d 公司1 9 9 6 年开始推向市场的一种1 6 位 超低功耗的混合信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 充分考虑了最容易实现设计目 一1 3 一 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 标且性价比高以及市场上有充足货源两个影响因素，选择了熟悉的m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机 作为数字伺服控制系统的核心部件。 虽然m s p 4 3 0 系列单片机推出时间不长，但由于其卓越的性能，在短短几年时间里 发展迅速，在工业自动控制、智能化的仪器仪表、日常电器产品、计算机网络与通信、 计算机外围设备等方面都有广泛的应用。 图3 3m s p 4 3 0 f 1 6 9 结构框图 f i g 3 3 b l o c kd i a g r a mo fm s p 4 3 0 f 1 6 9 m s p 4 3 0 f 1 6 9 内部结构框图如图3 3 所示，其主要特点有【1 3 1 ： ( 1 ) 具有一个强大的1 6 位r i s cc p u ，1 2 5 n s 的指令周期，1 6 位的寄存器以及常数 发生器，能够最大限度地提高代码的效率；同时m s p 4 3 0 f 1 6 9 内部有硬件乘法器，大大 增强了它的数据处理、运算能力。这也是采用该芯片的一个重要原因； ( 2 ) 超低功耗，是目前工业界中具有最低功耗的f l a s h1 6 - b i tr i s c 微控制器； ( 3 ) 具有丰富的片内外设，4 8 个f o 引脚，每个f o 口分别对应输入、输出、功能 选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用 o 口复用，在对同一个i ，0 口进行操作 前要选择其要实现的功能，增强了端口功能和灵活性；该芯片还配置了带有3 个捕获比 较寄存器的1 6 位定时器a 、定时器b 、1 2 位快速a d 转换器( 带有内部参考电平、采 样保持和自动扫描特性) 、双1 2 位d a 转换器，两个通用同步，异步串行通讯接口 u s a r t 、d m a 等，利用它作系统的控制核心，不仅极大地简化了系统硬件电路，还大 大提高了系统的性价比； “) 具有f l a s h 存储器。程序代码空间为6 0 k b + 2 5 6 b 的f l a s h ，2 k b 的r a m ， 寻址空间达6 4 k b ，为嵌入式u c o s n 系统提供了条件： ( 5 ) 系统工作稳定，上电复位后，首先由d c o 启动c p u ，以保证程序从正确的位 置开始执行，且晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器控 制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 主系统时钟时发生故障， d c o ( 数控振荡器) 会自动启动，以保证系统正常工作；数字控制的振荡器d c o 允许 在6 vs 内从低功耗模式唤醒。另外，m s p 4 3 0 f 1 6 9 的内部看门狗定时器可在程序失控时 迅速复位。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。另外，m s p 4 3 0 为工业级器件，运行环境温度4 0 + 8 5 ； ( 6 ) 方便高效的开发环境，f l a s h 型m s p 4 3 0 系列单片机片内有j t a g 调试接口。 这种单片机的调试只需一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要专用的仿真器和编程 器。这种调试方式方便、廉价。 除此之外，m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机还有如下一些功能，了解这些功能有助于系统的配 置和优化：具有片内比较器a ；具有可编程电压管理器；具有欠压检测器；支持串行在 线编程，无需外部编程电压，可编程的保密熔丝代码保护。 3 4 系统电源设计 3 4 1系统电源的设计要求 系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系 统能否正常运行起着至关重要的作用。电源设计应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问 题。 电源功率必须能满足整个系统的需要。单片机系统的绝大部分器件以脉冲方式工 作，对较小的系统功率消耗的脉冲特性更为突出，而较大的系统由于器件功耗的分散性， 使得系统整体的功率消耗比较平稳。因此，单片机系统的电源必须有足够的耐冲击性， 这就要求电源设计时留有充分的余量，一般大系统按实际功率消耗的1 5 倍2 倍设计， 小系统按实际功率消耗的2 倍3 倍设计 电平设计指的是直流电压幅度和电源在满载情况下的纹波电压峰峰值设计。这两项 指标都关系到单片机系统能否正常运行。因此，必须按系统中对电平要求最高的器件条 件进行设计。 各种形式的干扰一般都是以脉冲的形式进入单片机的，干扰窜入单片机系统的渠道 主要有三条；空间干扰( 场干扰) ，通过电磁波辐射窜入系统；过程通道干扰t 通过与 主机相连的前向通道、后向通道及其他与主机相互连接的通道进入；供电系统干扰，通 轮胎寿命试验机液压伺服数字控制器 过供电线路窜入。对于上述3 种干扰必须采用行之有效的措施和具体电路加以消除，确 保单片机系统正常运行和工作【1 4 1 1 5 。 3 4 2 电源整体规划 根据控制器的总体设计思路，对于外部的输入、输出信号均采用隔离来提高控制器 的抗干扰能力。因此，设计过程中就包含了系统电源和隔离电源两大部分。 系统电源：主要是供控制器工作以及内部信号的处理，还包括输出给传感器的模拟 工作单元。 隔离电源：来自外部现场控制中心的电源，主要是实现信号的隔离处理。 总体电源的具体的电压要求和用途如表3 1 所示。 表3 1 系统电源规划 t a b 3 1t h el a y o u to fs y s t e mp o w e