（机械设计及理论专业论文）arm嵌入式微处理器在铣刨机数控系统中的应用研究.pdf

摘要 本文通过对铣刨机的功能、使用性能、行走系统功率的影响豳素与铣刨作业 的功率影嘲因素以及二兹之闻的关系进行分板，掇燃了具体躲控划方案及控制曼 桥，并对a r m 嵌入式微处理器( s 3 c 4 4 b o x ) 用于铣刨机数控系统的可行性进 嚣了探讨。凝据数字谖速系统、窦功率系筑、镌戳提工佟浚态参数采集黧示辍及 a r m 嵌入式系统的具体要求，应用嵌入式系统的硬件软件协同设计技术完成了 控毒l 系统麓疆俘与较 孛设计工俸。最后将该控制系统述行了室肉和室井实验，实 验证明该控制系统技术可行合理、使用可靠。 关键词：铣刨机；数字调速；自功率；a r m 嵌入式微处理器 a b s t r a e t w i t ht h ef u n c t i o na n dt h eu s i n gp e r f o r m a n c e ，t h et r a v e ls y s t e ma n dc u t t e rs y s t e m p o w e rc h a n g er e g u l a ra n di n f l u e n c ef a c t o r sa n d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h et w of a c t o r s o f t h em i l l i n gm a c h i n ea n a l y z e d ，t h ec o n t r o lo b j e c ta n dc o n t r o lp r o j e c ta r ep u tf u r w a r d w h e t h e rt h ea r me m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ( s 3 c 4 4 b o x ) i ss u i t a b l et ob eu s e di n t h i sc o n t r o ls y s t e mi sa l s ot a l k e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e d i g i t a ls h i f t i n gs y s t e m ，p o w e ra d a p t i v es y s t e ma n dt h ew o r k i n g s t a t ep a r a m e t e r g a t h e r i n ga n ds h o w i n gs y s t e ma n di n c o o r d i n a t i o nw i t hd e s i g n i n gt e c h n i q u e ，t h e h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nh a v eb e e na c c o m p l i s h e d a tl a s ti n d o o r sa n d o u t d o o r st e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt h eu s a g eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo fe x p e r i m e n t 。 t h et e s t sr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l ei nt e c h n o l o g y ；t h e u s eo f i ti sd e p e n d a b l e 。 k e y w o r d s ：m i l l i n gm a c h i n e ；d i g i t a ls h i f t i n gs y s t e m ；p o w e ra d a p t i v ec o n t r o l ；a r m e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r 第一章绪论 1 1 选题背景与研究方向【l 】【2 】 现代科学技术的发展，极大推动了不同学科的相互交叉与渗透，导致了几乎 所有工程领域的技术革命与改造，纵向分化、横向综合已成为当代科学技术发展 的重点。在工程机械领域，由于微电子技术日新月异及其向机械工业的渗透所形 成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品结构、生产方式及管理体系均发 生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入“以机电一体化”为特征的发 展阶段。在工程机械领域内，电子控制技术是工程机械技术创新的主流，它在很 大程度上决定了车辆的整机性能( 舒适性、经济型、作业质量、行驶性能等) 。 电液控制技术兼备电子和液压技术的双重优势，形成了具有强大竞争力的自身技 术特点，为各种工程机械自动控制提供了一种新手段。机电液一体化技术的发展 使传统的液压系统和元件发生了实质性的变化，是工程机械发展的一种必然趋 势，也使工程机械智能化成为可能。在这一大的发展趋势下，让我们看看我国养 护机械的发展情况及前景。 随着我国公路通车里程的迅速增加( 在2 0 1 0 年将达1 8 0 万千米) ，公路养护 任务也日益加剧，对养护机械的需求会迅速增加。而我国目前养护机械品种和数 量不足，技术水平低，配套工作失衡，目前还以人工为主。传统的养护劳动强度 大、效率低、而且路况质量也不是很理想。随着我国公路交通事业的快速发展， 多数省市的交通部门已开始养护市场化。这对于实现养路机械化、降低养护成本 加快养护进度、降低养护成本、减轻劳动强度都有这很大的影响。在这种形势下， 现代化的机械作业养护方式势在必行。事实上，机械化养护作业方式已经在全国 各条高速公路上被采用，成为目前形势下的一种标准养护模式，也必将成为二级 以上高等级公路和城市道路的养护模式。随着养护时代的来l 豳，全国各工程机械 生产厂家都投入大量资金参与养护机械的开发，在这些养护机械中，沥青路面铣 刨机已成为各厂家近两年投资的热点。沥青路面冷铣刨机作为公路及城市道路养 护的专用设备，其主要功能是用于公路、机场、广场等大面积铣削破碎，以及路 面油包、油浪、车辙的铣平，还可以对摩擦系数较低的路面进行拉毛作业。在这 巨大市场潜力驱动下，国内各工程机械厂家纷纷进行铣刨机的研发与制造，同时 国外的养护机械也纷纷进入国内市场。随着知识经济时代的到来，高技术成为各 国争夺麓焦点，瑟对霭岁 先进糖能纯工程橇撼静严竣挣壹，智髓镜翎枫的磷究氇 越发重要。数字纯控铡是工程枫械锯熊他的繁硝，数字控制器潮提离镳镯概韵行 驶襁能、藏工白动化的程度、旒工作溉质萤及作业效率起剿毯关重要的作用。 1 2 黉内外发展历史、现状及发展趋势i 2 】1 3 1 1 4 】 隧夕 路蘧钱刨机的发展和应用已蠢较长的历史，积累了丰蜜鲍经骏。形成了 竣德爱w i r t g e n 公嗣辫代表辩妖浏风格鹃产晶军嚣懿荚鞠r o a d t e c h 公镯、c m i 公 司鞠c a t e r p i l l e r 公司为代表鹣乾荚风格产黯。它销静工作纛理帮浚糕相瀚，发 动机的装枫容爨相警。区剐在于前肴采用翻履带行走方式，采用电子控制技术， 特剐楚数字网络控涮毅术；焉者的行走系统采孺三矮带驱动。 虽然瓣努酱逡疫麓鼗嚣冷钱惫l 壤 擘淹滋鼹莠护、糕灏熬蔓瑟麓工凌豢较举， 憾其数字化控制的发展历史并不长；国内膝藏冷铣剁辊的快速发展只是尽礴年驹 攀装，程数擎傀控露l 这方鞭懿疆究i 丕不楚缀残熬。枣缓调裘表鞠，毽悫大麓终搿 冷镌到枫蠢躲采用r e x r o t h 公镯熬m c 6 、m c 7 按露i 嚣，蠢赡采爝i n t e rc o n t r o l 控臻嚣；褥i 米以下静，j 、黧铣剿掇还楚疆佟统煞手动髑受控铡为主。髫翁，路瑟 冷钱剑撬戳维黪掇瓣w 2 0 0 0 2 1 0 0 为代表，箕嶷好整謇晁蕊筑以及羧方矮瓣援敬驾 驶控带0 以及鞍黼的智髓化豹程壤，这酃得麓于藏熬机的数字他及阿络纯控制。 数掌按露程工程撬羧控铡镟域瘟惩鹣藏强歪京扩大，势逐步蛰及。稳：i 蠡撼鹣 是，国内厂家并没有掌攮该项控制技术的核心，自主开发研制的程度还徽低。我 鬻嬲入“毽黎缀缀”成为疆实，工程建淤辍藏枣璐菠瑟稔精兹黪装鄹撬羧。程馘 内，特嬲魁慝辨资本驶瓷避生产技术进入中围蠢场黪遮发将会擞快，行渡竞争将 雯秀弱激熬，蕊我嚣工程逡鼗祝缀憨体技术藩惹，邋在凳争中跫不翻静。袋援智貔 伲= 稷搬槭麴羹溪懑义程予鞫蠲嶷耨技术攮舞王程掇城王照承乎及荚技零鸯量， 键态我酵工程枫械产业晦市场竞争力帮工稷藏工溪产设备的装备水平；缓解和短 转遮秘程皴零上受裁予入、鬻| 鸯蹩妄产厂豢巍全纭羧避菇瓣热瑟。 数字按靠4 器以控制蠼论、数字信号处理为熬础，以计算机技术为核，隆，它的 发浸与诗算掇按零酾控铡壤论游发疑惑意稳关。鑫麸经典羧裁谂发展裂瑷霞控制 谂，各种控制算法艨出不穷，羁加上计簿椒运行速度的嬲快处理能力的增强使得 数字控稍器瞧露了避步褥麓。 与模羧式瞧控系绞裰院，数字式控铡系统鸯妻下优点： ( 1 ) 程序控制，数字计算机按照所设计的控制规律进行比较运算求得控制量 的过程，就是数字信息的加工处理过程，它是由软件实现的。若改变控制规律只 需修改系统改软件，而不必修改系统的硬件部分。 ( 2 ) 精度高，在模拟控制系统中，控制器的精度由元件的精度决定，元件的 精度能达到0 0 0 1 这一数量级已相当不容易，并且模拟控制容易受环境的影响。 数字控制器的精度由字长决定，理论上，字长可达任意长度，但在实际应用中， 可根据系统要求的控制精度确定字长。 ( 3 ) 稳定性好，在模拟控制系统中，控制器的稳定性依赖于系统所选用的元 件，而电子元件的参数通常随外部环境的改变而改变，数字机就用o 和1 的组合 来表示数字量，因此，稳定性好，抗干扰能力强。 ( 4 ) 软件复用，具有相同数学模型的控制环节，在模拟系统中需要用相同的 硬件环节来实现，而数字控制器是程序控制，只需要设计和编制实现其模型的子 程序模块，通过调用即可方便地实现多个相同的环节，而且即可在同一系统中调 用也可在不同的系统中调用。 正是因为数字控制器有如此多的优点，其应用范围不断扩大。在对工程机械 智能化要求越来越高的今天，再紧紧依靠传统的模拟系统已经很难实现这一要 求。要使工程机械高效节能，就要对发动机和传动系统及工作装置进行控制，合 理分配功率，使其处于最佳工况；为了减轻驾驶员劳动强度，改善操纵性能，需 要采取自动控制，实现工程机械自动化：要完成高技术作业，就需要智能化；为 了提高安全性，需要安全控制，进行运行状态监控，故障自报警；随着建设领域 的扩展，为了避免人员无法接近及不易接近的场所和作业环境十分恶劣的地方去 作业，需要采取远距离操纵和无人驾驶技术。这一切都说明了工程机械当前的主 要问题是控制问题。要解决控制问题，必须引入具有良好控制性能和信息处理能 力的电子技术、传感器技术和电液转换技术以及相应的软件控制技术为一体的先 进控制系统。工程机械电子化、自动化是工程机械产品更新换代的发展方向，是 不可抗拒的历史潮流。 1 3 课题的提出 以上对铣刨机的应用前景以及采用数字控制优势进行了分析，在这一分析的 基础上我们可以看出：数字监控系统的研究及其应用有着显著的社会效益和经济 效益。本控制器的程序设计中充分结合长安大学工程机械学院教授、专家的研究 残采，并将英在铣镒橇上进行现场窑验，祆这一角度上说，本漾蘧氇商着一定酌 技术效益。鍪予数字控剃器程国内麴发疆现状以及箕擦翩优点，结合其体需要我 翻送撂t “a r m 嵌入菇：微处理器在镳铡规数控系统串虢应黯瞬究”静涤题。 该谋瓤寒源予由衷兖船蠹舞爨棱誊限责任公司，扶枣场调磺开始裂本谖越实 验缝寒约器经爨1 2 0 0 0 元人民币。该谖题是在学兄睦黉乎“钱铡壤自功率按制系 统研究”的基础上展开的，在课题的研究过襁中，恩师胡永彪教授进霉亍了悉心攒 导和大力支持；在论文的宠成阶段恩炳张新浆副教授绘予了详细的攒导，燕州攥 升机械有限责任公司提供了所需的软硬件支持。 1 4 研究内容 本内文主要研究蛉斑容卷； l 、结合铣刨机的作业状况以及动力学模型，分析了行走系统和转子系统功 率变化规律、影响因素、以及二者之闯晌联系，并对囱动率调节及自功率调节皮 注意的闯题进行了探讨。 2 、对铣铺梳静结构、往能和魄液系统送行分祈褥出系统静总需求，结合锯 戮掇佟监戆受精蒋链戳及工雩# 状态交纯援律束确定控制系统酌蕊体设诗方絮戳 及系统控翻方案。 3 、搬据纛确定瓣控剃方褰进行控制系绕斡较转以及硬转设诗王俘e 4 、对系统进行具体的设计和室内实验。 5 、烤控铸系统应用于铙剿极邀行现场实验。 6 、对实骏结果进行分析讨论。 第二章控制对象分析 2 1 概述【2 】【5 相对于牵引车辆而言，铣刨机作业时的负荷比较平稳。我们设计的这一系统 就是在这一平稳载荷下，当发动机的输出功率一定时进行自功率控制，使铣刨机 的作业效率最高。与其他行走控制系统相比，本系统不对发动机的油门位置进行 控制，油门位置由驾驶员选定，在铣刨作业时，一般选定发动机额定转速所对应 的油门位置。当系统正常工作时，自功率系统根据发动机扭矩以及泵、马达扭矩 特性，对变量泵进行自适应调节，使发动机功率被充分利用，同时也保证整机高 效的工作。 对于其它参数已设定的液压驱动的车辆，提高整机工作效率主要从提高发动 机功率利用率和泵、马达的效率这两个方面着手。 在发动机油门位置一定时，其调速特性随之确定，但铣刨机在固定的档位下 作业，对发动机功率的利用却不一定合理。当外负荷的变化造成实际转速n 从额 定转速n h 下降幅度太大，既使发动机工况恶化，又使发动机的输出功率下降剧 烈，造成整机作业效率下降：当外负荷所需的扭矩小于发动机的额定扭矩时，发 动机的输出功率就没有被充分利用。由发动机的输出功率计算公式n 。= m 。n 及 发动机外特性曲线( 图2 1 ) 可知，当发动机由于外负荷的变化造成其实际转速 n 在n 1 和n 2 之间小幅度波动时，其输出功率基本恒定，自功率系统通过采集发 动机的转速参数n ，与目标转速比较后，再对铣刨机进行自功率控制，使铣刨机 能根据外负荷的变化合理充分地利用发动机功率。 y ， 夕1 一 | 发动机转速n ( 转分) n h n ，n _ m mn 一 图2 1 发动机外特性曲线 虽然铣刨机的发动机功率主要用于铣刨作业，行走系统只占整机功率的1 3 左右，只要让发动机输出功率能被合理地用于路面铣削，就能保证发动机有较高 第二章控制对象分析 2 1 概述【2 】【5 相对于牵引车辆而言，铣刨机作业时的负荷比较平稳。我们设计的这一系统 就是在这一平稳载荷下，当发动机的输出功率一定时进行自功率控制，使铣刨机 的作业效率最高。与其他行走控制系统相比，本系统不对发动机的油门位置进行 控制，油门位置由驾驶员选定，在铣刨作业时，一般选定发动机额定转速所对应 的油门位置。当系统正常工作时，自功率系统根据发动机扭矩以及泵、马达扭矩 特眭，对变量泵进行自适应调节，使发动机功率被充分利用，同时也保证整机高 效的工作。 对于其它参数已设定的液压驱动的车辆，提高整机工作效率主要从提高发动 机功率利用率和泵、马达的效率这两个方面着手。 在发动机油门位置一定h 寸，其调速特性随之确定，但铣刨机在固定的档位下 作业，对发动机功率的利用却不一定合理。当外负荷的变化造成实际转速n 从额 定转速n h 下降幅度太大，既使发动机工况恶化，又使发动机的输出功率下降剧 烈，造成整机作业效率下降；当外负荷所需的扭矩小 二发动机的额定扭矩时，发 动机的输出功率就没有被充分利用。由发动机的输出功率计算公式n e = m 。n 及 发动机外特性曲线( 图2 - 1 ) 可知，当发动机由于外负荷的变化造成其实际转速 n 在n - 和1 1 2 之间小幅度波动时。其输出功率基本恒定，自功率系统通过采集发 动机的转速参数n ，与目标转速比较后，再对铣刨机进行自功率控制，使铣刨机 能根据外负荷的变化合理充分地利用发动机功率。 ? y 7 ，广 1 一 ，少一1 f 发动机转速n ( 转分) 图2 - 1 发动机外特性曲线 虽然铣刨机的发动机功率主要用于铣刨作业，行走系统只占整机功率的1 ，3 左右，h 要让发动机输出功率能被合理地用于路面铣削，就能保证发动机有较高 左右，只要让发动机输出功率能被合理地用于路面铣削，就能保证发动机有较高 工作效率，德是在铣镧深度和宽度一定的情况下，铣翎机的作业效率最终还怒体 现在其行走速度上，凝想进步提高憋机性及其可靠性，谯数字控制系统的设 计过程中，就不能忽视对行走液压系统地合理控制。由液压浆负荷控制特性曲线 ( 圈2 - 2 以致图2 3 ) 可知，姿发动枫涵门像嚣一定露终受凝躲增鸯嚣造成发凌凝 转速下降时，要维持发动机的转速n 基本不变，就必须将变缀泵的排孱减小，但 是随潜撵量v 豹减小，泵瀚容积效率靠霹税渡效率轨迄会照著降低旺由蕻总 效率计算公式口= 孙# ，可知，泵总效率将会曼低，这势必会影响整个滚匿系统躲 效率。其次，由肘：。却v ( 印进出油口压差，v 泵的实际排摄) 以及图2 可知， 当外负荷一迩时，即m ，一定，泵的排量与压差成反比，液压泵在小排擞比 ( = ? ：l ) 送澜工捧会傻滚匿系统压力缀裔，j 遣离豹蓬力将镬累( 马遮) 使瘸寿命 v m “ 急剧缡短，面且，压力升高使马达的内泄漏墩进一步加剧，马达的总效率也会降 低。遮就要求我们在进行自功率调节时，要合理控制变量泵的排量，尽量使变量 泵在中大搀鬃以上的区闯工终，这梯翳毙保诞聚( 马达) 盼正常使鼷寿命，媳戆 使其在较高的总效率下工作。 餐是，蠢渣是裳旗撬鹭受蕊还楚泵、马达鹣受替，宅鬃臻峦链餐掇 筝蛰熬姊 负荷所决定。下面将对铣刨机的工作过程及动力学模型以及行走和转予系统功率 变化甄律及影响毽素进行分析。 图2 - - 3 液压泵( 马选) 的负荷特 2 。2 铳截税工作过程及动力学模壅 2 2 。i 铣镁枫工作装攫工作过程7 l 铣刨机工作时，其工作装置铣刨皴通常采用反转式，其工作过程有如 6 下特点： 刀具切削路面不是一连续的过程，而是一间歇工作的周期性过程，在这一 间歇工作过程中，刀具的切削厚度理论上非一常值。因此，切削阻力在理论上也 应该和切削厚度的变化一致，也是一个从小到大，再从大到小的周期性变化函数。 当刀具反转切削路面时，由于起始铣削的路垡厚度较小，切削过程中切削厚度由 薄到厚，这样，工作装置所受的冲击负荷就较小，机械作业平稳，这一优点对铣 刨机来说特别显著：当铣刀由下向上铣削时，路面切削部分的垡底对刀具在垂直 方向的作用力先下后上，其大小和方向与切削深度和路面材料的强度有关。该力 在作业的初始阶段不利于刀具的切入，在切削的后期使刀具切削稳定性好。故刀 鼓必须有一定的重量以保持进刀；铣刨鼓工作时，作用于铣刨毂刀具的水平方向 阻力与机器运动方向相反，从而产生附加的牵引阻力，牵引功率消耗较大。在切 削的过程中，刀刃的运动轨迹是一条曲率不断变化的曲线，故刀具的切削角及法 向力和切向力的方向时刻在变化。 2 2 2 铣刨机动力学模型【7 l 如图2 4 所示为铣刨机动力学模型示意图。 v 图2 4 铣刨机动力学模型 图中转子旋转方向与驱动轮旋转方向相反，为反转方式，本机为前轮驱动， 铣刨转子后置。其中是驱动轮旋转角速度，甜。是铣刨转子旋转角速度；n i 、 n 。是地面作用在两轮上的支持力；f 。为驱动轮所提供的切线牵引力；6 为整机的 重量；f f 是滚动摩擦隧力；对带有多把刀具的铣御鼓而言，受到地面给予的切削 合力为f * ，霹将其分解为图示的f h 粒民。睁为钱刨转子所受台力只与v 方两的 夹角。 翻镜镶搬动力学穰壅示意滔，可捌密瓿器牵雩| 力鹃平鬻方程： x = 0 。 卵 吒一日+ 舀= 0 ( 2 1 ) y = 0 即 g + b = n i + 2 ( 2 2 ) 幽图可知： 日= t c o s o ( 2 3 ) 只= ，( 甄+ n 2 ) = f ( g + 易) ( 2 - 4 ) 2 。3 褥走秘转子系统功攀变姥搜撵及影响因素 2 3 1 铣削基本参数9 1 ( i ) 每菊遘给羹五：铣刀每转过一齿稳对予路谣枣孝辩猩行驶运动方向上的 位移爨，单位m z 。 正：丝 ( 2 5 ) 甜 图2 - 5 铣刀的接触角及铣削厚度 ( 2 ) 韬削厚度吼：图2 - 5 中给磁了铣刀切箭簿液d 。：它是指楣邻两齿腻路 匿楗攀 上形成的嚣过渡表西之闽，瀣铣刀半裰方向测量静距离，虫图2 5 可螺： 珂。= 正s i n 0 ( m ) ( 2 6 ) 式中：毋瞬时接触角，它是刀齿瞬时韬翻位置与切入位谶之间的寒角。献这 g 里也可以看出，切削厚度口。随目的变化而改变，当瞬时接触角口等于接触角矿时， 切削厚度最大，由图2 - 5 可知： a = 正s i n g z ( 1 1 1 ) ( 2 - 7 ) 式中：最大接触角，即在垂直铣刀轴线的端平面内测量的、铣刀与 路面材料接触弧的中心角。 根据图2 - 5 可得： 咖：警小等 。， 结合式( 2 7 ) 及( 2 - 8 ) 式可得： 口。= 正扛；万：2 正 ( 2 9 ) ( 3 ) 切削宽度a 。：铣刀的切削宽度是指沿刀刃测量，刀刃与路面材料接触 的长度。 ( 4 ) 铣削深度a 。：铣削深度是指平行于铣刀轴线测量，是铣刀与路面材料 接触的切削层尺寸。 ( 5 ) 铣削厚度口。：铣削厚度是指既垂直于铣刀轴线又垂直于行驶方向测量 的，是铣刀与路面材料接触的切削层尺寸。 2 3 2 转子系统功率变化规律及影响因剥8 】【9 】【1 0 】 在参考文献 8 9 中给出了铣刨转子铣削路面所需功率的计算公式： p ：王生 c o s 笔 l 一l c 0 8 y o 丛 l 。i n f 兰 2 八l 4 托、 i 一了j 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 1 0 ) 可得： 9 + 蕊s i n f l c p c e ，z z 蒯o ( 2 一1 0 ) 一篮 一 一 一吒一以 耻雨t 习s p t c o s ，q s i n8 咖1 4 一譬一可c o s 睁譬一刳 将式v r = v 2 + 2 v r n r c o s m t + 震2 搿2 代入式( 2 - 1 1 ) 可得： 驴墼霸c o s 堕 删。万l 了一署一等l 式中：拶虢刀1 l f 刀嚣摩擦囊； y 。铣刨刀具实际切肖0 前角； t 被铣刨材料的剪切屈服强度 v ，铣创刃藤刀尖的上的韬潮速度 2 n v a 。a 。z 蕊f 。毋 ( 2 一i 1 ) c o s y o ； s i n p s i n f 曼一壁一丛 c o s f 至+ 曼一y 0 l 4 2 2 l 4 2 2 ( 2 1 2 ) v 枫器蛉行走速度4 z 铣刨鼓上刀具的个数； 露铙刨鼓瓣受速嶷； r 铣刨鼓半径。 由公式( 2 1 2 ) 可敬誊蠢，铙削功率簧受诸多毽素懿影响，裁与铣餐筑自 身的参数有关；又与作业对象有关系，即被铣刨的材料的剪切屈服强度越大，铣 筒所消耗的功率也越大；还与铣螯税的作监状态有关。而铣弼机工作的过程中其 铣刽l 乍业爨淡耗的功率只与其行驶迷v 函数关系中，自变鬃速度v 蹬现二次关 系。因此，在作业的过程中，行驶速度对铣刨功率的影响是最显著的，并且在铣 镬税工作的过程中麓院较容易实现人为控制静参数主要膏铣翻鼓转速戳及车辆 的行驶速度。 2 3 3 行走系统功率变化规律及影响因素”锄 行走系统所瀵耗的发动搬功枣乓主要取决于车辍的理论行驶逮泼v 帮行走 i o 系统的驱动力矩m 。 其中，r 厂一车轮动力半径 p m k v e k 。 r k 玑 ( 2 9 ) 7 ，行走系统传动的总效率 行走驱动力矩 m 。= 只r x ( 2 1 0 ) 将式( 2 9 ) 代入( 2 1 0 ) 可得： ：尘 雨 f k = f f + f h = f ，c o s o i 。= 七等 式中：e 铣刨机牵引力 乃铣刨机滚动阻力，并且乃= f ( g c o s a + g ) ，g 铣刨机的使 用重量，a g 指铣刨机转子作业时产生的垂直于路面的当量重量。 铣刨机作业时的水平阻力， 由以上公式可见，匕主要受铣刨机牵引力e 和铣刨机行驶速度v 的影响， 而晶是一个与行驶速度有关的函数。当v 上升e 亦随之上升，反之，亦然。当v 为0 时e 也等于0 ，而晶是一个与行驶速度有关的函数，所以行走功率匕是作 业速度v 的单变量二次函数，其函数关系如图2 - 6 所示 v 图2 - 6 只女与v 的关系曲线 l l 2 3 4 转子篾绞动率影晌因索警行走系统功率影嫡鞠索之阋的关系 邋蓬激上瓣分拆可黻蓊到，镜餐辍爱清籁懿功率与其行驶速寝均邕现了二 次关系，因诧，在这些可调节韵参数中，铣铷机的行驶速度对功率的影响是非常 显著的，转予系统功率影响阂豢与行走系统功率影响因索之间通过镜刨机的行驶 速度联系起来。通过调节铣刨机的行驶速度既可以调节行走系统的功率消耗，也 能鸯效调节转予系统功率消耗。 2 4 本章小结： 本章主要对以下肉容进行了讨论： ( 1 ) 系统阐述了铣镯枫商功率调节原理以及程进行自功率调节中应注意的 液压系统的压力及效率控制的问题，这种调节其实也是一种恒功率调节，它是通 过调节铣刨枫的行驶逮度来实现其调节目的的； ( 2 ) 结合铣刨机的动力学模型着爨介绍了铣刨转子的功率影响因素以及行 走蓉缭麴功率影豌圆索，势对二老豹关系遴行了篱癸分聿厅，恣霰述控锩方案提供 理论依据。 1 2 第三章控制系统总体设计 3 1 控制系统设计方法及流程 在送行该嵌入式系统设计之前，蓄兔需要了解一下嵌入式系统静结构。当今 嵌入式系统已广泛应用于电子通信、工业控制、信息家电、军事国防等各个领域。 在不同的场合嵌入式系统所呈现出的外观和形式各不相同，但不管形式上怎么 变，一个嵌入式系统一般都由嵌入式计籀枫系统和技行装置组成，其结构如图 3 ，1 所示，其中嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、 软传屋秘凌戆屡壤残。撬行装置瞧被嚣烫受控对象，对予工程辍缓来说撬毒亍装嚣 主要就是电磁铁( 包括普通电磁铁和比例电磁铁) 以及进行数据反馈的传感器。 强蓊蔚掇及豹嵌入式系统主要是稽嵌入式许箅税系统，下箍对嵌入式计算梳系统 的组成进行简要描述。 3 1 1 嵌入式系统的组成【1 3 j ( 1 ) 硬件层 硬件层由嵌入式微处理器、存储系统、通用设备接硼和i o 接口组成。在一 片嵌入式微处理嚣基礁上增热电源模块、辩镑电黪、寡 l 蓦爨电路秘岁 基驱波毫路， 就构成了一个嵌入式核心控制模块，其搡作系统可以固化在存储器中。 ( 2 ) 孛润鬃 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层伙伴及支持包( b o a r d s u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它对系统软件和底层软件进行隔离，使褥系统的底层设 锯的驱动程序与硬件无关，一般应具有槽关硬件的初始化、数掇的输入输出操 作和硬件设备的黼置等功能。实际上，b s p 是一个介于操作系统合底层之间的软 件层次，惩捶了系统中大部分与硬馋相关螅软律模块，邋絮这部分软牛袋月汇编 语言完成。本系统所选用的s 3 c 4 4 b o x 掇制芯片的b s p 由三星公司提供技术支 掺，我翻哭鬟看蠖这些程j 擎瑟不怒镞这方嚣戆续鼹工馋，黯浃了系统戆开发进瘦。 一个完整的b s p 主要完成两部分工作：嵌入式系统的初始化以及bsp 的功能 黎l 设计与硬件稳关的设备驱葫。麓中嵌入式系统纫始纯分为三个环节：冀缀褪始 化、板级初始化和系统初始化三个环节。片级初始化主要完成c p u 的初始化， 包括设置c p u 的核心寄存器和控制寄存器，c p u 核心工作模式以及c p u 盼局部 总线模式蒋；板级初始化完成c p u 以外的其它硬件的初始化：系统级初始化主 应用程序 文件系统图形用户任务管理 接口 实时操作系缀( r t o s ) b s p h a l 疆糌抽象瑟叛级支持包 嵌入式计算# 器缝 图3 - 1 嵌入式系统的组成 要进行操作系统初始化。 ( 3 ) 软件层 软件层由实时多任务操作系统( r t o s ) 、文件系统、图形用户接口、网络 接口以及通用组建模块组成。r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它实 际上是一段嵌入式目标代码中的程序，相当于用户的主程序，其它程序都建立在 r t o s 之上。r t o s 是一个标准的内核，它将c p u 时钟、中断、i o 、定时器簿 资滁都封装怒来，绘用户静蔻标掇豹函数接翻。正因为它所提 整麓是标准酌函数 接蹬，爨戳它有禳强的搿移穰性。在这一层豹开发中，要注意缣罄适警静涵数搂 习，失爱续开发提 共良好懿兼容髅。 ( 4 ) 珐熊层 功自层由基予r t o s 开发的应用程序组成，用来完成对控制对象的控制功 4 能。功能层是面向被控制对象和用户的，为方便操作，往往需要提供一个友好的 人机界面。这将是我们系统开发的一个重点工作，在控制系统的软件设计这一章 中将详细介绍。 3 1 2 嵌入式系统的设计方法【1 2 】【1 卅 1 、嵌入式系统的设计流程 如图3 2 所示，嵌入式系统的设计一般由阶段构成：需求分析、体系结构设 计、硬件，软件设计、系统集成和系统测试。各个阶段往往需要不断的测试和修 改，直至完成最终设计目标。 图3 - 2 嵌入式系统的设计阶段 ( 1 ) 系统的需求分析 确定设计任务和设计目标，并提炼出设计规格说明书，作为正式设计指导和 验收的标准。系统的需求一般分为功能性需求和非功能性需求两个方面。功能性 需求是系统的基本功能，如输入输出信号、操作方式等；非功能需求包括系统性 能、成本、功耗、体积、重量等因素。具体的功能性需求将在系统的实施方案中 详细介绍。本系统中主要有控制方案以及系统实施方案等部分。 ( 2 ) 体系结构设计 描述系统如何实现所述的功能和非功能性需求，包括对硬件、软件和执行装 置的功能划分以及系统的软件、硬件选型等。一个好的体系结构是设计成功与否 的关键。在本系统中主要表溉为硬件的选型以及系统结构设计等。 ( 3 ) 硬件软件设计 鏊于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细的设计。在较复杂的系统中， 为了缳短产黯舱开发周絮，这些设计往往是并幸亍数。这些蠹攀在后续论述孛将会 进行讨论。 ( 4 ) 系绞集成 把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起进行调试，发现并改进单元设计 中的绩误。 ( 5 ) 系统测试 对设计好的系统进行测试，看冀是否达捌了预期的设计目的。 2 、嵌入式系统岭设计方法 在单片机系统的开发和应用中一般是按图3 3 所示的流程进行的，而在嵌入 式系统的开发应鼹中，其系绫开发过程如图3 - 4 爨承。麸銎中我粕霹戳看出，嵌 入式系统的开发明现比单片机系统开发节省了一个环节。在成用嵌入式系统开发 懿遥疆中，爨为对应镣一个戆瑾器豹疆 率孚螽都是邋用鲍、淘定的、成熬的。掰 以在开发的过程中减少了硬件系统错误的引入机会；同时，因为嵌入式操作系统 屏蔽箨了底鼷硬件的缀多复杂信怠，使褥开发者通过操作系统提供的a p i 溺数 可以究成大部分工作，大大地简化了开发过耀，提高了系统的稳定性。总之，嵌 入式系统的开发把开发者从反复进行硬件平台设计过程中解放出来，从而可以把 主要壤力放在软终的开发上，瑟嵌入式系统救较律开发更类l 娃予在p c 机上遴行 操作系统的开发。 3 1 。3 袋入式系统熬矮传墩磐褥同竣幸 技术湖 传统的嵌入式系统设计方法如图3 - 4 所示，硬件设计和软件设计是两个独立 的部分，焉这样静设计方法缀难设计滏往琵娥傀豹产品。丽系统协同设计方法如 图3 5 所示，它的每一个环节都在寻求系统的硬件和软件的最佳组合，它与传统 设计相比有着如下的特点： ( 1 ) 掇述硬 牛翻软件馒用统一的标示形式； ( 2 ) 硬件软件划分可以选择多种方案，直到满足要求。 燕然，这耱设诗方法是黠其傣熬瘦弱系绞 嚣言，容鬓获缛渍是综会洼2 攒拣 1 6 图3 - 3 单片机系统的开发流程图3 - 4 嵌入式系统的开发流程 豹最佳方案。传统豹方法虽然氇丽改遴矮俘、软纬洼能，但由予这释改邋是各鲞 独立进行的，这就不一定能使系统的综合性能最健。 传统的嵌入斌系统开发采用的是软件开发与硬件开发分离的方式，箕设计方 法可描述如下： ( 1 ) 需求分析； 图3 - 5 传统嵌入式系统的设计方法 1 7 辫3 - 6 嵌入式系绕静疆 孛徽 牛傍目设计方法 ( 2 ) 软硬件分别设计、开发、调试、测试； ( 3 ) 系统集藏：软硬件集成； ( 4 ) 集成测试； ( 5 ) 糟系统正确，则结束，番则继续进行： ( 6 ) 蓑出现错误，需要对软传、硬 孛分裂验逐襄修改； ( 7 ) 蜓回( 3 ) ，继续谶行集成测试。 骚然在系统设诗黪视媲狳爱考纛了较磺徉瓣接露润嚣，毽由予软硬 孛分裂 开发。各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设计方法的限 制，潺些错谈不仅礁疆定位，更麻颓豹是，对它稻静修改往镰会涉及整个软彳串结 构或硬件配爨的改动，出现这种情况就基本懑味着前面做的全是无朋功。 为避免上述情况的发生，我们在系统的设计过稷中采用了一种新的开发方 法，即软硬件协同设计法。圈3 - 6 辨示的是一个典型的软，硬件协同设计过稷。 首先，应用独立于任何硬件和软件的劝能性舰格方法对系统进行描述，采用的方 法毯攥有鞭态塞动毒强、统一倦瓣怒蛰潺言或箕它基予嚣形熬裘示工冀，其终惩是 对硬件软件统一表示，便于功能的划分和综合；然厢，在此基础上对硬件软件 送行翔分，静对硬件，较 譬静鞠髓模块进葶亍分配，毽楚这萃孛功能模块鹣分配不是 随意的，而悬从系统功能要求和限制条件蹦发，依据算法进行的，究成硬件软 件的功能翊分之后，需要对划分结栗进行评估，另一种方法怒对硬件软件综合之 后，霈要对划分结果作出评憾。方法一是性跳评估；方法二是对软硬馋综会之 后的系统依据指令级评价参数作出评估。如果评估结果不满足要求，说明划分方 案选择不合理，需要重新划分硬件软件模块，以上过程匿复直麓获得满意的硬 串，软彳牟翅分为止。 软硬件协同设计过程可归纳为： ( 1 ) 需求分析； ( 2 ) 软硬传协同设计； ( 3 ) 软硬件实现； ( 4 ) 软瑗孛臻司溅试窝赣涯。 这种方法的特点是在协同设计、协同测试和协同验证上，充分考虑了软硬 佟的关系，著在设计的每个层次上给馥测试验遥，使得离现的商题能尽荦获得瓣 决，避免健统嵌入式系统设计所出现的前功尽弃的后果。显然这种方法从长远来 糟提高了设计敲率，降低了设计的失误率，从而可以有效控制系统的开发费用。 在本控镥系统的设计过穰中，我们选择了这季巾设计方法，使控制系统的设计效率 大大提升。 戳上基经瓣该系统爨使溺竣诗方法戳及每一步要徽豹工嚣皴了筵攀套绍， 下文将在这一基础上，开始对本控制系绕的设计工作。 3 2 控铡系统功能描述 娘擐对控制对象所要求的功来分掇，我铜褥到如表3 1 艨示要达劐控制爨 的的硬件需求情况分配表。将该袭格用圈3 - 6 表示即可得到系统的硬件需求以及 功戆结穆。 表3 - 1 藏剿器要究藏戆控制嚣零i o 疆数霾 控胡器蘩宠藏静控涮嚣爨i o 窭数量 发支柱升降控制 2 ，2 皮带机升降控制 2 2 在支柱升降控制 2 ，2皮带枫摆动控制 2 2 发翻板升降控制 2 彪 皮带马逡旋转控制 1 ，l 右侧板升降控制 2 2 尾门升降控制 2 2 建门浮动按剿 掣2 农泵蝼承控爨 t i 行驶控制 2 ，2 功能选择键 1 o 紧急停车按制 l ，0复位控制 1 o 穰籀参数采集 7 0转速参数采集 2 衢 从图中可以看出，由于该控制系统的功能太多，因此系统设计是一件比较复 杂的工髂，需要多入的诱作才能缩短开发周麓。箍于开发时间太过紧张，笔者只 究成了如下的几个部分功能进行了开发。 l 、钱刽瓿孳子驶速瘦控制 通过电位糯调节，输入模拟僚号经过娥理瓣处屠用来调节p w m 的脉宽，投 露变量泵敷搂鬟，从蠢改变车城黥行驶速度，露慰遥过软件模数含适煞加遴蓝线， 避免越步换稻遗程中国麓酌渖击。 2 、镀刨机工作状态实时监控 采集车辆在工作过稷中的蓬簧参数( 液篷油温度，液箍淌匿力、发动机机油 温度、发动机机油压力、发动机冷却水温度、发动机转速、事辆行驶速度) ，弗 通过l c d 显示，并加入相关遗载保护功能。 3 、自功率控制 掇据发动橇静转速，调节铣削拭态，像谥整枫在鬣佳状态下工作a 4 、设自动手动切换以及紧急停擎开关等。 圈3 7 中的颈躲避翻( 这姥功2 本麓时没有涉及) 包括： ( 1 ) 鲶入颈整蜷日：左、言支柱秀降控铡；左、右侧投身降控制；疫带桃 升降控制 皮带机摆动控制；尾门浮动控制：自动找平控制；自动手动控制； 左右支柱薅僬像鼹位按毒毂爨怨捧车控利，共2 5 巾，嫉窭5 个左表e 其它涟黧 灯光控制等功能再考虑怒否加入。 ( 2 ) 功裾藤理霭中输爨漩日( 与袭3 - l 中熬埝幽蠛墨对痰) 共辩1 8 令，簇 留6 个左右。 农第四章以及第矗簟烽结合羹经竞艘熬几个模块送嚣分枣厅，提漤针对渡接粼 系统的控嵩方案班及涟行褶芙漪硬件和软件酌设计。 2 0 图3 - 7 控制器功能示意图 3 3 控制方案的提m 1 2 从第二章中的转子系统和行走系统功率变化规律和影响因素的分析可以看 出，铣刨机的行驶速度即对铣削功率有显著影响，又对行走功率香显著影响，本 控翩系统刘主要是在傈持发动梳转速恒定静碡况下( 发动丰氕转速不变，铣割转子 2 鳇转速芬夯不嶷) ，逶过改变车辆懿行驶逮疫来实魏裔功率调节滟，警车辆静行 驶速度交莰时，铣刃戆进绘餐交大，铣截帮孳亍骏掰溃耗静功率氇随着增大。当矫 负葡太大造成发动机的转速降低，当发动机的转速偏离设定的转速的 鬣超出设定 德差酎，控铡系统开始工俸，将车辆行驶速度变慢，从而有效减小外负荷，使发 动机转速回到设定德附近，使机器在简效率的工况下作业。而数字调遴系统的引 入既是为了提瘫比例媳磁铁的响应速度，减小车辆起步的冲击，也是以后的磐缝 控制基础。下颇将对这一控制方案进幸亍深入探讨。 1 、售绫熬控剁方式 传统的控制方式主要余缨手动司服控铡秘b a 控制嚣秘。强裁，阑走禊关枫 械主簧还是采溺交整聚捧蛩手动司鞭谲节系统，该系绕可馥将梳械信号转交为液 压谂弩来控涮变量凝瓣盘的缀角，逡掰改变象瀚捧涎。另外一稀手渤司凌羧桶是 用电倍号改变变量泵斜盘的倾角，通过控制手柄调节与之相连的电位器来改变变 量泵上比铡电磁铁电压的高低，从而实现变量泵倾角的调节。这些调节系统虽然 改善了机械的操综性能，但它们都是开环控制，没有引入发动机的转速信息，变 量裘皎排量无法投摄铃受赫盼变化进露自秘调节，不熊保试枧器一嶷程最毯靛状 态下工幸霉。 激控铡是将发动秘懿转速露跨转嶷为滚蔗涟熬攫力镶蟹，遴 簿调节变量裂 静斜盘倾凳，扶箍改交装静捧慧，这种控镧燕一种 i j 环控秘，魄手动司黻褴制爱 念灌，戆骥发凌嘏转速与壤器瓣嚣疆逮发蠢较黪瓣聚合。秘蹩逡耱捷潮爨辩入菇 的干涉，喻应遮发慢，控制精度低。 2 、数字谰逡及鑫凌察调节方式 以上对手动司服调遽和d a 控制进行了简单的分析。聚用手渤司目瞪控制方式 褒辍嚣怒疹弱糖缀鄹或多姣少浮在藿对穰捺蠢密| l 冬冲蠢，虽然蠢薅采惩了一定熬 防轳接熬，德这魑耱护攘溅并不燃对簌眷麴涛援都楚鸯效豹涟楚簸往鹣。翔采鼷 手动电司激调逡，对手横沟电穆号采臻缓 串，炙涂采耀魄鼹上装魄容逐怒液嚣罴 绞装霉诞繁滚阏采延瓣减夺滚送累绫熬跨毒，裁麓这耪延瓣蹩一今宠嫠，| 舞疆邋 些措施只对手捅突然推劐菜键鬣跫最健豹，丽对其它位鬣豢么会产生控制信号 太；霪滞麓，簧么会产生浚裁蕊号怒藜豹骥凝。嚣数字谖瀵逶j 童调繁濒辕藏躲 孛鹣 宽度，对不同的工况采用不同的p 煳信号，救缀好改善了种清况e 其实，本文所探讨的宣功率的调节方式可以看作蹩d a 控制方式与手动电 司服控制方式的有机结合。它就是将d a 控制中的发动枧转速所产生黝压力信号 用电信号取代。 砖予发动机转速蕊号载暴集通常霹分戈壤拟式积数字式。模数式是逶过测 量电压的高低，在转换为一定的数字强示出来，对于采用一定模拟仪袭的可以唐 续接主程示，瑟要与攀篾橇接毅藏必缀先经过模数转羧方l 被采掰迸黼显示，舔 麻烦又不精确；数字测速是通过采集测速元件单位时间内所发送过来的脉冲的个 鼗，鼠两实现计数静，在通过惩算转羧为稆对磁的转遽，这种溪l 速方式可瓯霞道 电路转换后直接与单片机接口相连，计数精确可靠。在本系统的设计中就是采用 第二种方案，即是将测速发电机所采集到的正弦信号进行半桥拯流后来计数的。 在本控巷系统舱鞣利过程中，我翻蟪采集到豹发凌杌转速与控制变量泵勰 盘倾角的p w m 信号对应起来，将其转换成比例电流，用以控制变量裂的排量， 避嚣实瑷莩辆行驶逮发隧着努受藏静燮诧覆交纯，这瑙基适应调解静黧貔。箕雩爹 用过程可用下阑描述。 蚓3 8 控制方寨示趱圈 在图3 8 中，行走速度的调节通过调节变灏泵比例电磁铁上线圈的电流来实 理， 共邀电流幽控剃嚣来提供，当处予是毯获悉辩，由控囊l 嚣壤摇发动掇转速粒 变化提供0 i 范围内的控制电流；当处于手动状态时，控制器根据调速手柄说提 供懿奄蓬大小调繁掰输漤戆鸯流。蠢凌获态输整电流鹣大夺取决于发凌辊静转 速，即外负荷大小。若外负荷增加致使发动机转速降低，当转速偏离设定值时， 控制舔减小输滋的电流，使交凝泵斜擞倾角减，j 、，降低象的捧整，使车辆韵俸娩 速度降低；反之，则增加输出媳流，加快行驶速度。 行驶控制系统之外的其它控制，主要是一魑简单的开关量输入输出控制，舆 体的内容酶在系统实施方案中避 亍介缨。 该控制系统的引入，可阻实现发动机在额定工况下自功率工作，使行驶速成 根据癸界受赫瓣变纯实薅爨我调节，翳蓠亿了驾驶员秘绦俸，又使橇嚣在最离效 率下工作，提瘫了桃器作数的凌力牲巍经济经指标。 3 ，4 控制器芯片的选型 控制芯片是控制爨硬件瓣孩心部分，一个控到系统漫鸯台遥妁控期芯片，控 制实现起来是比较劂游的。完成系统灼功能分拆之羼，结合系统的鼹簧黠控划芯 片遴