（机械设计及理论专业论文）基于dsp的沥青混凝土摊铺机行驶系统数字控制器的研究.pdf

摘要 沥青混凝土摊铺机作为公路建设的主要设备之一，其技术水平和智能化程度 直接影响路面施工的质量。摊铺机行驶系统的自动化控制是其技术水平提升的重 要环节之。本文对摊铺机行驶驱动的液压系统及其控制方式进行了分析，提出 了比较合理的控制方案，用d s p 作为数字控制器的核心器件完成了控制器的硬件 设计，利用了c c 2 0 0 0 软件完成了控制器的软件设计。在实现摊铺机的前进后退、 停车、起步、左右转向及原地转向等基本功能的基础上，重点讨论了摊铺机工 作在摊铺状态下的恒速控制问题。针对摊铺机起步、停车的冲击闯题，提出了最 短斜坡函数的设计方法；针对摊铺机低速不稳定性问题，分别采用带死区的p i d 和模糊自适应p i d 算法相结合的方法进行控制。利用m a t l a b 软件对p i d 参数进 行了优化，最后通过实验对控制器的功能及控制性能进行了检验，并进行了改进。 关键词：摊铺机行驶系统数字控制器d s pc c 2 0 0 0 恒速控制p i d 模糊自适应p i d a b s t r a c t a so n eo ft h e i m p o r t a n tm a c h i n e su s e di nh i g h w a yb u il d i n g s ，t h e t e c h n i c a ll e v e la n di n t e l l i g e n td e g r e eo ft h ea s p h a l tp a v e rh a sd i r e c t l y a f f e c t e dt h eq u a l i t yo fc o n s t r u c t i o n t h ea u t oc o n t r o lo ft h et r a v e l i n g s y s t e mo ft h ep a v e rp l a y so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr o l e si nt h i si m p r o v i n g t h et r a n s m i s s i o nm e t h o da n dc o n t r o l t h e o r yo ft h eh y d r a u l i ct r a v e li n g s y s t e mo ft h ep a v e ra r ea n a l y z e di nt h ep a p e r a n ds oo n ，as p e c i f i ca n d r e a s o n a b l es t r a t e g yh a sb e e np u to u t t h ep a p e ra c c o m p l i s h e st h eh a r d w a r e d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mu t i l i z i n gd s pa n dt h es o f t w a r eu t i l i z i n g c c 2 0 0 0s o f t w a r e i tn o to n l yc o n t r o l st h em a c h i n e sr u n n i n gf o r w a r d sa n d b a c k w a r d s 、s t a r t i n g 、b r a k i n g 、t u r n i n gr i g h ta n dl e f t ，a n ds oo n ，b u ta l s o p u t sg r e a te m p h a s i so nt h es t u d yo fc o n s t a n t v e l o c i t yc o n t r o l ，a i m i n ga t s o l v i n gt h es h o c k i n gp r o b l e md u r i n gt h ep r o c e s s e so fs t a r t i n ga n ds t o p p i n g o ft h et r a v e l i n gh y d r a u l i cs y s t e m ，t h ep a p e rh a ss e t u pat h er a m p i n g f u n c t i o no ft h em i n i m u m r a m p i n g t i m e i tc o m b i n e st h e f u z z y a d j u s t a b l e 。p i d c o n t r o l s t r a t e g y a n dt h ed e a d 。d o m a i nc o n t r o l s t r a t e g yt os o l v e sn o s t a b l ep r o b l e mw h e np a v e rw o r k sa tl o ws p e e d i t a l s o o p t i m i z e s t h e p i d p a r a m e t e rb y m a t l a b s o f t w a r e f i n a l l y ，t h e f 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 y e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：p a v e rt r a v e l i n gs y s t e md i g i t a lc o n t r o l l e r d s pc c 2 0 0 0 c o n s t a n t v e l o c i t yc o n t r o l p i d f u z z y a d j u s t a b l e - p i d i l ： 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 _ 1 本课题提出的背景及意义”耵口町刚 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、横向综合己成为当代科学技术发展 的重点。在机械工程领域，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 生了巨大的变化，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。在工程机械颁域内，电子控制技术是工程机械技术创新的主流，它在 很大程度上体现和决定了车辆的整机性能( 舒适性、经济性、作业质量、行驶性 能等) 。电液控制技术兼备了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 技术的发展是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。新材料及新技术革新使得工程机械技术提升成为可能。 随着全国公路建设事业的发展，城镇建设的加快，对旌工机械的需求量有了 大幅度增加。“十五”期间公路建设投资1 0 0 0 0 亿元，从2 0 0 0 年开始，公路建设 投资每年在1 8 0 0 亿元以上，十年内将投资7 0 0 0 亿元。中国工程机械协会副理事 长兼秘书长韩学松在中国工程机械行业第四届信息发布会上预言，到2 0 0 5 年， 国产工程机械的市场占有率有望达到7 5 。基础建设为工程机械发展又提供了新 的市场。随着国家对基础设施建设的加强，积极财政政策的实施，西部大开发项 目的分批开工以及国家重点工程的启动，使工程机械行业的市场进一步攀升， 2 0 0 2 年上半年我国工程机械行业增幅达到3 0 3 5 ，创造了1 9 9 4 年以来的最高 纪录，工程机械全行业的年销售收入超过7 0 0 亿元，比2 0 0 1 年增长了2 5 左右。 其中摊铺机的销售收入增长了3 9 9 6 ，销售量为6 4 。 沥青混凝土摊铺机是进行沥青摊铺作业的主要机械设备，用来将拌制好的混 合料，按照路面的形状和厚度均匀地摊铺在已经整好的路基或路面基层上，并给 以初步的捣实和整平，形成满足一定宽度、厚度、平整度和密实度要求的路面基 层或面层。在公路、城市道路、码头、大型停车场的沥青摊铺作业中，沥青混凝 土摊铺机是不可或缺的。路面旌工对沥青混凝土摊铺机的要求越来越高，如高等 级公路的纵向平整度9 m m 3 m ，初密实度2 7 0 9 6 ，密实不匀度s 5 。 沥青混凝土摊铺机是边行走边作业的施工机械，其行驶速度的恒定性及行驶 的直线性对摊铺路面的平整度、初始密实度、禽析程度有着很大的影响。沥青混 凝土摊铺机的性能要求越来越严格，如基本摊铺宽度和最大摊铺宽度允许误差 + o 2 ，最高摊铺速度( 无级调速) 各挡摊铺速度( 有级调速) 允许误差2 ，摊 长安大学硕士学位论文 铺速度的变化应小于0 i r a r a i n ，速度变化恢复时间在1 2 s 内，履带式沥青混 凝土摊铺机直线行驶的跑偏量不得大于直线测量距离的2 ，沥青混凝土摊铺机 应能双向( 前进、后退) 通过坡度不小于1 5 的坡道等，随着公路建设等级的提 升，沥青混凝土摊铺机性能的提高已经成为必然。 沥青混凝土摊铺机作为工程机械中功能较多、要求很高的一类筑路机械的代 表，随着知识经济的到来，高技术已成为各国争夺的焦点，面对国外先进智能化 工程机械的严峻冲击，智能摊铺机的研究显得越来越重要。沥青混凝土摊铺机行 驶系统及行驶控制系统的性能是影响摊铺机作业性能的主要因素之一，在很大程 度上决定了作业质量的好坏，与此同时，行驶系统控制器作为摊铺机的核心控制 部件，对提高摊铺机行驶性能、提高施工自动化程度、改善路面施工质量非常关 键。因此，沥青混凝土摊铺机行驶系统控制器的研究具有重要的现实意义。 1 2 国内外摊铺机行驶系统控制器的研究现状及发展方向阻儿副哺1 早期的摊铺机行驶控制采用的是手动操作。由于手动操作不能保证速度的精 确性，无论在提高摊铺机的作业质量上，还是在简化操作、降低驾驶员的劳动强 度上，都无法得到满足。 随着电子技术的应用，出现了电液控制系统，它兼备了电气和液压的双重优 势，形成了具有竞争力的自身技术特点，这使得摊铺机机电液一体化程度大大提 高。在摊铺机行驶电控技术的发展中，出现了两种类型的系统：二十世纪八十年 代出现的模拟式电控系统，此类系统以模拟电路为主，结构简单，成本低廉，但 其控制精确不高且系统工作不太稳定，多用于修筑低等级路面的摊铺机中，如 v o g e l e l 7 0 0 、1 7 0 4 型摊铺机，其液压系统是由一个变量泵、一个变量马达和液 压转向器等级成，电控系统是通过操纵台内的一块速度控制板来控制。进入二十 世纪九十年代后，出现了数字电路为主的数字式电控系统，此类系统结构较为复 杂，成本较高，但操作方便、控制精确、工作稳定可靠，不易受外界环境的影响， 因此在大型高性能摊铺机中得到广泛应用，成为目前的主流方向，如v o g e l e l 8 0 0 、 l t l 2 0 0 、t i t a n 4 2 4 、4 2 5 等机型。与模拟式电控系统相比数字式电控器有以下的 优点：程序化控制，控制器按照所设计的控制规律进行运算和数字信息的处理， 主要通过程序( 即软件) 来实现，若改变控制觌律只需改变软件r 而不必改变系 统的硬件结构；控制精度高，在模拟控制系统中，控制器的精度由元件的精度而 定，数字控制器糟度由字长决定；稳定性好；软件复用。在模拟系统中，需用相 同的硬件环境实现，数字控制器是程序控制，只需要设计和编写实现其模型的子 程序模块，即可方便地实现多个功能的环节。 鉴于此。目前摊铺机行驶系统普遍采用数字控制器。摊铺机行驶系统数字控 制器在国外的研究及发展历史并不长，国内这方面几乎处于空白。极少数这方面 2 长安大学硕士学位论文 的研究也只是处于起步阶段，更不用说成熟的控制产品。国内的摊铺机上大多采 用r e x r o t h 公司的忱6 ，m c 7 控制器，其微处理器由1 6 位逐渐向3 2 位微处理器 过渡，在摊铺机行驶控制系统的研究上，国外总是处于领先地位，美国 s a u e r s u n d s t r a n d 公司于9 0 年代中期生产的k g s 摊铺机采用了基于微处理器的 数字控制器，德国最新推出的a b g 5 2 5 高档摊铺机上配备了智能化的数字控制器， 它集行驶、振捣、送料等控制于一身，带有自诊断功能，具有良好的可视化界面 及通讯端口，能进行现场检测与调试，可以说，它在一定程度上代表了今后沥青 混凝土摊铺机及其行驶系统数字控制器向智能化方向发展的趋势。进入本世纪， 基于p l c 、单片机及工控机等核心硬件的控制器的开发局面正逐步形成。 1 3 研究数字控制器的意义“5 瑚儿3 + 数字控制器以控制理论、数字信号处理为基础，以计算机技术为核心，它的 发展与计算机技术和控制理论的发展息息相关。自从经典控制理论发展到现代控 制理论，各种控制算法层出不穷，再加上计算机运行速度的加快，处理能力的增 强使得数字控制器的性能有了进一步的提高。 纵观工程机械的发展，在技术上大致经历了三次革命：柴油机的出现，液压 技术的广泛应用以及电子技术，尤其是计算机技术的广泛应用。要使工程机械高 效节能，就要对发动机和传动系统进行控制，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和改善操纵性能，需要采用自动控制，实现工程机械自 动化；要完成高技能的作业，就需要智能化；为了提高安全性，需要安全控制， 进行运行状态监视，故障自动报警；随着建设领域的扩展，为了避免人员无法及 不易接近的场所和作业环境十分恶劣的地方去作业，需要采用远距离操纵和无人 驾驶技术。这一切都说明了工程机械当前的主要闯题是控制问题。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的控制系统。 数字控制器的除了应用于摊铺机的行使液压系统，它同时可以应用到自动找 平、振动振捣系统以及工程机械其它产品中去，如振动压路机“软”起振与停振 系统，振动块旋转方向与行驶方向一致性的控制系统，压实度自动检测、无级自 动变幅以及遥控小型无人操纵的振动压路机等；抛b a 公司推出的一种新型的非 接触式平整度控制系统；t o p c o n 公司生产的t s 5 控制系统可装予不同型号的挖 掘机，用于自动控制铲斗的斜坡与深度，它可以精确测量机器各种部件之间的距 离和角度，按照预设的深度和倾斜角调整铲斗的位置。 由此可见，数字控制器的应用领域在不断扩大，逐步普及。但遗憾的是，目 前国内厂家并没有掌握该项核心的电控技术，自主开发研制的程度还非常低。我 国加入“世贸组织”成为现实，工程建设机械市场正面临新的形势和挑战。在国 长安大学硕士学位论文 内，特别是外国资本及先进的生产技术进入中国市场的速度将会加快，行业竞争 将更加激烈，发达国家的工程建设机械产品在世界上一直占主导地位，特别是美 国和日本几乎占了世界市场的二分之一以上。这些情况的发生和发展，使我国的 工程建设机械产品进入了一个全方位竞争发展的历史时期。从我国出口的工程建 设机械来分析，总体技术水平与发达国家相比，落后1 0 1 5 年，但也有少数产 品接近国际技术水平。我国工程建设机械出口的主要产品有液压挖掘机、压路机、 叉车及工业搬运车辆、混凝土机械等，技术含量高的摊铺机形式很不理想。发展 智能化工程机械的重要意义在于利用高新技术提升工程机械工业水平和国家重 点项目建设施工水平，提高我国工程机械产业的市场竞争力和工程施工国产设备 的装备水平。这个提升过程对于提高综合国力，增强国际地位具有重要而深远的 影响。因此，为了发展民族工业，缓解和扭转这种在关键技术上受制于人、国内 生产厂家完全依赖进口的局面，数字控制器的研究具有特别重要的现实意义。 1 4 本文研究的主要内容 摊铺机行驶控制系统的输出主要是用于控制行驶变量泵的排量。电流决定着 行驶速度，而电流变化的快慢又影响到液压系统的平稳性能；变量泵和马达容积 效率的变化也会引起摊铺速度的变化。因此，如何确定合适的控制模式对实现摊 铺的恒速性显得尤为重要。目前数字控制器的应用和研究主要采用单片机、p l c 和工控机来实现，它们各有长短。程序化设计中的控制算法是解决恒速问题的关 键，控制理论和算法层出不穷。综合各方面的指标和行驶系统的性能要求，选择 控制器核心以及相应的控制算法，体现百花齐放、百家争鸣开发特点，本文主要 作了以下工作： l 收集和整理与国内外沥青混凝土摊铺机液压行驶与控制系统的研究现状 相关的资料，分析摊铺机行驶系统的控制方式。 2 针对行驶系统的性能要求提出具体的控制模式和控制方案，实现摊铺机前 进后退、起步、停车的加速、减速控制，以及左右转向和原地转向等控制功能。 3 研究恒速、同步控制技术，选择合适的控制算法，通过算法以及补偿改善 控制系统性能，达到作业工况下的恒速控制。 4 选用合理的器件实现数字控制器的硬件设计。 5 完成数字控制器的软件设计。 6 进行相关的实验研究。 4 i 长安大学硕士学位论文 第二章行驶系统控制方案研究 行驶系统控制器作为摊铺机的一部分，除了满足自身的功能和要求外还需要 考虑与其它设备的协调工作，也就是整机的数字化控制，本章从两个方面分析了 行驶系统控制器的基本要求和功能，并以此确定控制方案。 2 1 行驶系统控制器的功能 2 1 1 控制器的基本功能“”1 在作业工况下为了保证路面具有足够的压实密度、路面平整度和均匀性，对 摊铺机行驶速度的恒速性提出了很高的要求，摊铺过程中系统控制必须采用速度 闭环控制系统。除了行驶速度这一基本的控制参数外，在行驶过程中还有一些其 它的控制要求，包括直线行驶、起步、停车、前进后退，以及左右转向和原地 转向控制等，一般说来，行驶系统控制器应能满足以下基本要求： l 具备两种工作模式：作业模式与行走模式。 2 在两种模式下，无论是前进还是后退，行驶速度均能连续调节，尤其要保 证起步平稳，并具有良好的低速稳定性。 3 在作业模式下，能够实现两履带无差速直线行驶，两侧履带应能各自独立 调整至行驶速度设定值。 4 在作业模式下，能够实现左右差速转向，转向半径连续可调。当转向半径 设定后，就以固定的转向半径恒速转向。 5 在行走模式下，能实现较快的直线行驶，也能实现差速转向。 6 在作业模式下应有原地转向功能，无恒速要求，采用开环控制，两侧履带 速度大小相等，方向相反。 7 在高速时应屏蔽原地转向功能。 8 应能实现停车制动。 9 应有紧急制动功能。 1 0 解除制动后摊铺机才能行走。 2 1 2 控制器的其它功能“” 1 故障诊断的功能：随着2 0 世纪3 0 年代以来液压技术的广泛应用，以及 6 0 年代故障诊断技术的出现，故障诊断技术在液压系统中的应用得到了很快地 发展。由简易诊断技术发展到了计算机故障诊断技术。简易诊断技术又称主观诊 断法，它是基于故障诊断人员的看、听、摸、闻、问等主观因素较强的基础上对 液压系统故障进行诊断。利用放障测试仪对液压系统进行诊断时，必须事先连接 到被测试部位，诊断工作较繁琐。计算机故障诊断技术是在电子技术和计算机技 长安大学硕士学位论文 术发展的基础上所出现的，又称客观诊断法，能较准确且定量地对系统中某处运 行状态进行监测。计算机故障诊断技术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。从 摊铺机的行驶系统传动线路上来分析，即由发动机经分动箱带动左、右变量泵， 再经左、右液压马达通过左、右轮边减速装置最后传至左、右驱动轮驱动履带使 机器行驶，这是一个比较复杂的传递过程，包括了机械、液压和控制三个部分， 这使得故障检测和诊断的地位逐步提高。随着现代技术的飞速发展，智能化水平 的提高，故障检测和故障诊断已经成为智能化系统的基本要求。 2 显示的功能：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。显示功能主要包括：信息显示，显示操作者预设的行驶速度，主机的 实际行驶速度以及转相偏角；状态显示，显示转向方式和系统的工作状态；功能 显示，故障的显示和外部的数据传输的显示等。先进的通信技术以及友好的人机 交互式界面使显示功能更加完善。 3 外部通信的功能：沥青混凝土摊铺机作为工程机械中功能较多、要求很高 的行驶机械的代表，为了实现预期的功能和效果，从动力单元、传动系统到机械 动作，各部分只有精确而有机的结合，才能顺利完成。以往的摊铺机的行走系统， 螺旋输料系统，刮板输料系统，高度、坡度控制系统等几乎是相互独立工作，摊 铺机数字化控制系统以微处理器为核心，通过一些基本参数的输入，数字控制器 按照内置的程序，综合最基本的参数，产生最理想的输出，将相互独立的各功能 部分有机的结合在一起，实现了系统之间的协调和优化。行驶系统数字控制器应 该满足其与主控制器之间的数据通信( c a n 总线接口，r s 4 8 5 2 3 2 通信接口) ， 实现参数的修改功能。 2 2 行驶系统控制器的组成 控制器一般由软件和硬件两部分组成。控制器主要是针对发动机的转速，泵 的排量以及马达的输出转速进行控制的，根据行驶系统控制器的功能要求，我们 可以将摊铺机的前进后退、起步、停车、左右转向和原地转向控制等看作是动 作控制，主要通过操纵各种操纵杼或旋钮来控制比例电磁阀的电流大小和通电方 向来实现，而把恒速性、直线性作为速度控制的品质，在行驶控制中，需要通过 软件不断校准来实现。 2 2 1 控制器的硬件组成及功能9 1 目前，国内在摊铺机上的应用大多采用r e x r o t h 公司的矾c 6 ，m c 7 控制器 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 m v ) ：高可靠性：电磁铁电流p 喇输出，滞后 6 长安大学硕士学位论文 极小；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。 既6 h 3 2 控制器的主要组成为：带有一个1 6 位微处理器的工程计算机：程序监 控看门狗；可处理o 5 v 范围内的模拟电压和开关量功能，所有输入端都具有抗 电磁干扰和过电保护，电位器输出端设有监控电路，可识别导线短路或断路；6 路p 眦可以用于最多6 个比例电磁铁的可编程控制用以调节泵、马达和阀；3 个 开关量输出口；一个专用的控制发动机油门调节电机的p 咖输出；模拟量输出； r s 2 3 2 串口用于故障诊断、更改参数和过程显示；c a n b u s 总线接口用于m c 8 h 3 2 控制器与其它微控制器或者其它控制元件进行数据交换；电位计和传感器电源和 接地接口。 控制器的硬件主要包括：微处理器、输入端口、输出端口、电源、监控器、 串行接口和c a n - b u s 总线接口。主要的输入信号为：发动机的转速，最大行驶速 度电位器( 用来设定最大行驶速度，是模拟量) 、驱动手柄电位器( 调节实际的 行驶速度在零和最大设定行驶速度之间变化，是模拟量) 、转向电位器( 设定转 向角度，模拟量) ，测速装置( 轮边转速，脉冲信号) 和紧急伟动控制( 开关量) ， 主要的输出信号为：开关电磁阀( 调节马达在最大和最小两种排董下工作，开关 量) ，p 踟信号( 控制调节泵的排量的比例电磁铁，脉宽调制信号) ，油门调节输 出等。控制器硬件组成的方框图如图2 一l 所示。 图2 - i 控制器硬件组成的方框图 2 2 2 控制器的软件组成及功能” 每个控制器的软件都和数字控制器的硬件集成在一起。与m c 6 ，m c 7 控制器 相对应的软件包括f z a 、f g r 、s g m 、a s r 等。软件主要包括数据的连接和数据的 处理两部分。数据的连接主要指输入信号( 模拟输入和数字输入) 以及输出信号 ( 模拟输出、变量输出和开关输出) 的连接。信号的处理主要包括：硬件的参数 配置校准；算法；通信和诊断等。 7 长安大学硕士学位论文 2 3 行驶系统控制器控制方案研究 2 3 1 数字控制器的基本特点 按照控制器的功能和组成，控制过去由模拟电路组成的控制系统，参数之间 的关联加权、模糊处理，几乎是无法实现的，当以微处理器为核心的数字控制系 统介入后，情况变得简单多了，通过摊铺宽度、厚度、热料温度、配比等基本参 数的输入，数字化控制器依照内置的程序，综合最基本的参数，产生最理想的输 出，使摊铺机按照最优化的方式运行，由于发动机负载的变化，导致行驶速度、 摊铺层厚度产生了变化，行走泵、螺旋泵、刮板泵的排量、振动、震捣器的频率， 发生了最恰当的变化量。如此复杂诸多参数关联起来的控制器，只有在采用了数 字化控制技术后才得以实现。 在作业过程中，同轴上的轮距是变化的，机械连杆无法设置，数字化控制器 成功的解决了精确转向的问题。轮式机械的转向公式存储在微处理器中，接收到 转向指令信号后，控制器输出四个不同信号去控制四个伺服阀，通过转向公式的 偏角，内外侧轮同时产生相应的速度差，在完成这四个位置伺服控制的同时，带 来了多种转向方式，直行、前轮转向、后轮转向、原地转向、蟹行、c 形转向、 s 形转向等方式，如图2 2 所示。 图2 - 2 转向示意图 控制灵敏度、死区、电磁阀的最小开启时间、工作频率、互锁延迟时间、极 限误差值等都可以量化调节，这些参数的调节还有预设的权限，如图2 3 所示。 翮 硝 埘t o 啊r 啪羹啪摊啾 图2 - 3 参数调节示意圈 行驶参数显示，它不仅显示了操作者设定的行驶速度，主机的实际行驶速度，而 且将转向偏角，转向方式，控制方式都量化显示，大幅度提高了作业质量。数字 一摹 嚣一羽一枣 长安大学硕士学位论文 技术的应用，另一个巨大的好处是，主机的故障情况可以自身识别，这种故障诊 断技术的引入，对直接用户来说，是非常实用的。 随着机、电、液、信息技术的高度发展，数字化控制融入筑路机械，已经有 了软硬件基础，在性能上、人机交互界面、作业精度及效率上，都有了质的变化。 传统的模拟控制技术，正在一天天的被数字技术所代替，筑路机械无可选择的进 入了数字化控制的时代，使各种功能发挥的尽善尽美。 2 3 2 行驶系统数字控制器的控制方案。“ 按照控制器的功能和组成，控制方案的实现包括基本功能的控制方案，如图 2 4 所示，和其它功能的控制方案，包括串行通信和c a n b u s 总线接口等。从图 2 4 所示的行驶系统基本控制方案示意图可知：控制器的核心就是控制比例电磁 阀y 。和y ，。( 分别为变量泵左前进、左后退比例电磁阀) 、y 。和k ( 分别为变 量泵右前进、右后退比例电磁阀) 以及开主电磁阀y 3 和y 一( 分别为左右双速马 达开关电磁阀) ，通过调节y 儿、y 。y 。和y ：。的电流控制泵的排量，达到控制左 右履带行驶速度的目的。控制y 、y 。、y 。和y 。四个电磁阀以不同组合方式工作， 实现前进、后退及转向；通过y 。、y 。控制马达高低速转换，实现摊铺机行走摊 铺两种工作模式：电位器r 。、r 。、r ，分别用作最大行驶速度、驱动手柄和转向的 控制，最大行驶速度电位器r 。用于设定摊铺机行驶速度的最大值，驱动手柄电位 器r 。确定摊铺机行驶方向，同时对行驶速度进行无级调节，当驱动手柄推至极限 位置时，摊铺机所能达到的速度就是最大行驶速度电位器设定值，驱动手柄电位 器要考虑_ 二定的中位死区，转向电位器r t 可以改变左右电磁f 阕输入电流大小，从 而利用左右履带速度差实现转向。转向采用“c ”形转向方式。直线行驶时，转 向电位器处于中位，左旋钮时，则左侧速度减小，右侧速度增大或不变；右旋钮 时；则右侧速度减小，左侧速度增大或不变。通过调整旋转角度，不断改变转弯 半径，实现转向的圆滑性；系统还应设置一开关量输出y s ，用于制动的实现与解 除。 在数字控制器上专门设置一个 原地转向按钮k 傩，在停车状态下按下 原地转向按钮k 。，给左右电磁阀通以 相同大小的小电流进行低速原地转 向，转向前判断左右两侧履带速度大 小，向速度低的一侧进行原地转向， 在前进后退模式下，禁止原地转向。 k ，为行走摊铺二位开关，利用 程序判断其工作状态。开关在“行驶” 9 图2 - 4 行驶控制方案 长安大学硕士学位论文 位时，行驶控制为开环状态，不进行恒速和直线控制，此时控制变量马达的电磁 阀得电，马达处于最小排量：在“摊铺”位时，为了实现恒速和直线控制，利用 速度传感器v ，和v z 将行驶速度反馈至输入端，行驶控制采用闭环模式，此时控 制变量马达的电磁阀失电，马达处于最大排量。 为了防止意外事故发生，数字控制器上设置了紧急制动按钮k 。紧急制动是 关闭所有的输出信号。 2 3 3 主控制器的选择”1 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。满足摊铺机使用功能要求的主控制器的选择范围有工业机，高性 能单片机、可编程控制器( p l c ) 、e p e c 以及数字信号处理( d s p ) 等，这五种形 式各有优缺点。 l 可编程控制器( p l c ) ：顺序控制、运动控制、过程控制等。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。抗干 扰能力强，因为p l c 是专门用于工业现场环境，在抗干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。目前摊铺机广泛应用于开关阀，这项 特点为p l c 的应用提供了方便。与此同时，p l c 难以完成某些控制，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，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 单片机：在目前的应用研究中，较易于实现数字控制的方案是使用单片机 来实现其功能，尤其是新型的8 位，1 6 位单片机具有a d 、p 吼、e e p r o m 、比较 输出、捕捉输入、s p i 接口、异步串行通诫接口、f l a s h 程序存储器等功能。单 片机成本低，易开发，因为单片机价格不断下降，而其技术含量却不断提高。另 外，单片机的应用己相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用程 序。尺寸小，结构易布置，由于单片机及其外围接口电路可以紧凑地放在一块印 刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便，面板形状与大小都可以在一定 程度上随意设计。对于一些比较复杂的控制其计算量往往很大，这样，计算速 度将直接影响控制精度，一般用于下位机和小型控制；与此同时，单片机易受外 界干扰，单片机系统属于微电系统，比较容易受到强电、磁场、电脉冲的影响， 甚至也容易受恶劣工作环境的影响所以必须采取抗干扰施。 3 工控机：相对于单片机和p l c 来说功能灵活，结构复杂，它集单片机与 p l c 优点于一体，具有很强的控制功能。工控机成本高，系统结构复杂，若和其 长安大学硕士学位论文 它控制系统联合使用，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，采用先进 的控制模式，实现整个摊铺机控制的智能化。编程容易，接口简单，可以采用高 级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软 件；另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。工控机有 强大的计算、管理及通讯功能，适宜于高性能进行机群调度和管理适合形成网络 控制系统的上位机。 4 数字信号处理器( d s p ) ：具有典型的数字信号处理的能力d s p 芯片普遍采 用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，采用流水线技术， 即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数和执行等多个步骤， 从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间；d s p 芯片内有多条 总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它 们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址；d s p 芯片大多带有d m a 通道控制器和串行通信口等，配合片内总线结构，数据块传送 速度大大提高：d s p 芯片配有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个小 规模系统；具有软、硬件等待功能，能与各种存取器接口；针对滤波、相关和矩 阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 芯片大多配有独立的乘法器和加法 器，使得在同一时钟周期内可以完成乘、累加两个运算；低功耗，一般为0 5 4 w ，而采用低功耗技术的d s p 芯片只有0 1 w ，可用电池供电，节能；驱动电流 小，驱动电磁阀需要外加外围电路。 工控机具有超过1 0 0 0 m h z 的工作频率，非常完善的开发手段，非常丰富的软 件支持，在这些方面，d s p 是无法与之相比的。但是，工控机并非针对实时信号 处理而设计，其数据输入输出能力相对于其处理能力要低得多，其响应速度或 者响应延迟不能满足实时处理要求。在相同的工作频率下，工控机进行乘积、f f t 、 编解码等常用数字信号处理的速度要比d s p 低得多。工控机本身结构复杂，功耗 多，价格较高。 d s p 比单片机的推出时间稍晚，而复杂度、性能要高的多。以简单的性能指 标m i p s 为例，单片机为1 1 0 m i p s ，d s p 为3 0 2 0 0m i p s 。单片机只有单总线， 且片外地址、数据线复用：而d s p 片内有多总线，片外的地址、数据总线分开， 还有比异步串口速度高的多的同步串行或通信口，因此，数据输入输出能力很 强。d s p 数据位宽、乘加器位宽也比单片机犬，进行数字信号处理时不仅速度快， 精度也高，但单片机控制接口种类比d s p 多，两者韵软件设计比较类似。在成本 上，d s p 价格比单片机高。 通过以上比较和分析，选择价格适中，信号处理能相对较强的数字信号处理 器( d s p ) 作为主控制器。 长安大学硕士学位论文 第三章数字控制器硬件设计 硬件的设计主要是根据前面第二章方案设计中的控制方案所设计的，本文所 作的硬件设计不包括发动机转速的 控制部分，于是，控制方案可以简 化为图3 一l 所示的控制方案。 该数字控制器实际上是一个以 芯片d s p 为核心的控制系统，主要 包括：输入模块、输出模块、电源、 驱动电路、通讯和简单的显示模块。 利用d s p 内部的程序存储器、数据 存储器及i o 实现模块的设计。以 一些按键和旋钮作为输入，通过 l e d 显示器进行显示，然后利用传 感器组成闭式回路，为了便于对一 些设计过程中用到的重要参数进行 现场调试，优化控制器的性能，设 计了r s 2 3 2 串行接口电路。 3 1d s p 的选择 图3 - i行驶驱动系统的控制方案 3 1 1d s p 的发展历程及功能简介m 捌1 啪1 d s p 发展历程大致分为三个阶段：7 0 年代理论先行，8 0 年代产品普及，9 0 年代突飞猛进。在d s p 出现之前数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 来完成， 直到7 0 年代，有人才提出了d s p 的理论和算法基础。1 9 8 2 年世界上诞生了首枚 d s p 芯片。这种d s p 器件采用微米工艺n m o s 技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但 运算速度却比m p u 快了几十倍。d s p 芯片的闯世是个里程碑，它标志羞d s p 应用 系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步 与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都 得到成倍提高。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进一步提高，其 应用范围逐步扩大。9 0 年代d s p 发展最快，系统集成度更高，将d s p 芯片及外 围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机 领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，数字信号处理器) 是新世纪数字化革命的核 心。它是一种独特的微处理器，它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远 长安大学硕士学位论文 超过通用微处理器。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大 特色。d s p 芯片是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器。它强调运算处 理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，主要 针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流程上做了很大的改动。 它与模拟信号处理相比，它具有灵活、精确、可靠性好、体积小、功耗低和易于 大规模集成等优点。 从用途上可以把d s p 芯片分为通用型和专用型；按数据格式可以把d s p 芯片 分为定点型、浮点型和多处理器型。面对d s p 的巨大市场和广阔的发展前景，世 界上几个大的半导体公司都在d s p 上展开竞争，如a d 、a t & t 、m o t o r o l a 、n e c 和 t i 等公司都在全力开发和生产d s p 芯片。从理论上讲，虽然浮点d s p 的动态范 围比定点d s p 大，且更适合于d s p 的应用场合，但定点运算的d s p 器件的成本较 低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程d s p 器件 仍是市场上的主流产品。t i 公司是最有影响力的d s p 芯片生产厂家之一。本文 选择t i 公司的定点t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 芯片作为控制器的核心处理器。 3 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能简介1 9 瑚瑚瑚1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的硬件结构特点： l 哈佛总线结构，程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总 线，取指和读数可以同时进行，3 0 m i p s 的执行速度，提高了控制器的实时控制 能力：独立的硬件乘法器。 2 采用高性能静态c 舯s 技术，供电电压为3 3 v ，减小了功耗。 3 片内有3 2 k 的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字 双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 。 4 两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 为通用定时器：8 个 1 6 位的p 喇通道；三个捕获单元；芯片还集成有1 6 个通道的l o 位a d 转换器， 在5 0 0 n s 的时间内对模拟信号作变换。 5 控制局域网络( c a n ) 2 o b 模块。串行通信接口( s c i ) 模块：1 6 位的串 行外设( s p i ) 接口模块：高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚； 看门狗定时器模块( w d t ) ；5 个外部中断：电源模块包括3 种低功耗模式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的软件结构特点：立即数寻址；直接寻址( 9 位的数据页 指针d p 及7 位的偏移地址可对6 4 k 的数据存储器快速寻址) 。通过8 个辅助寄 存器的间接寻址方式。 3 2 输入模块设计副 3 2 1 模拟量输入模块设计 数字控制器的输入量中共有1 2 路模拟信号：1 路转向模拟量输入，2 路速度 n 长安大学硕士学位论文 模拟量输入，9 路检测模拟量输入( 主要用作故障诊断) 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片具 有实时数据处理能力。当其输入量为模拟量时，可以通过内部自带的a d 转换器 进行转换，无需另外扩展a d 转换器，这样可以简化电路设计，降低成本。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的模数转换模块具有以下特征： 1 带内置采样保持的1 0 位模数转换模块a d c 。多达1 6 个的模拟输入通道 ( a d c i n 0 a d c i n l 5 ) 。 2 自动排序的能力。一次可执行最多1 6 个通道的“自动转换”，而每次要转 换的通道都可通过编程来实现。 3 两个独立的最多可选择8 个模拟转换通道的排序器( s e q l 和s e q 2 ) 可以 独立工作在双排序器模式下，或者级连之后工作在一个最多可选择1 6 个模拟转 换通道的排序器模式。 4 可单独访问的1 6 个结果寄存器用来存储转换结果。 5 多个触发源可以启动a d 转换，可以通过软件启动、事件管理器和外部 a d c s o c 引脚进行触发启动。 6 灵活的中断控制和内置校验、自测试模式。在校准方式下，可以计算a d c 模块的零、中点和最大值时的偏移误差。该偏移误差值的二进制补码被保存在 c a l i b r a t i o n 寄存器。在此基础上，a d c 硬件自动将偏移误差量加到转换值上。 自测试模式只能用来检测短路或开路，在正常工作模式下不能使用。 7 可以调整器件a d c 的采样保持模块来适应输入信号阻抗的变化。 模拟量输入电路如图3 - 2 所示。1 0 位a d 转换结果可用如下公式计算口9 1 ： 数字结果= 1 0 2 3 ( 输入电压( v 广v 。) )( 3 一1 ) 式中v 。为模拟输入参考高电平，v 。为模拟输入参考低电平；v 。为供电 电压，等于3 3 v ，v 。为接地端。根据式3 - 1 可知，a d 转换的转换精度依赖于 基准电压的稳定度，根据输入电压的变化范围，同时考虑电压值的实用性，需要 单独的稳压电源，为a d 转换提供+ s v 的稳压电源，稳压电源的设计将在电源模 块设计中详细说明。 3 2 2 开关薰输入模块设计 在摊铺机数字控制器上，设置了7 路开关量输入，前进、后退、摊铺转场、 左原地转向、右原地转向、速度设定自锁及转向自锁。前进和后退决定摊铺机的 工作方