（机械设计及理论专业论文）基于dsp的全液压推土机行驶数字控制器研究.pdf

摘要 全液压推土机行驶系统的控制是整个控制系统的核心，它直接影响推土机作 业的经济性和动力性。本文对推土机行驶驱动的液压系统及其控制方式进行了综 合分析，提出了行驶系统控制方案，采用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c c 2 0 0 0 软件完成了控制器的软件设计。在实现推土机 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t 0 2 3 0 履带式全液压推土机典型工况下的控制算法，并给出了行驶工况和倒 退工况的具体控制算法，同时为了保证控制精度与实时性，采用了带p i d 算法的 控制方法。最后通过实验对控制器的功能及控制性能进行检验，并进行了改进。 关键词：全液压推土机行驶系统数字控制器d s p p i d 算法 a b s t r a c t t h ec o n t r o lo ft r a v e l i n gs y s t e mo ft h ef u l lh y d r a u l i cb u l l d o z e ri s t h ec o r eo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，a n di th a sd i r e c ti n f l u e n c eo n e c o n o m ya n dd r i v eo fb u l l d o z e r t h i st h e s i sh a sac o m p r e h e n s i v ea n a i y z e o nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dc o n t r o lm e t h o do ft h eh y d r a u l i ct r a v e l i n g s y s t e mo ft h eb u l l d o z e r a n ds oo d ，ac o n t r o ls t r a t e g yo ft r a v e l i n gs y s t e m h a sb e e np u to u t t h et h e s i sa c c o m p l i s h e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e c 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 gc c 2 0 0 0 o nt h e b a s eo fr e a l i z i n gr u n n i n gf o r w a r d sa n db 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 to fb u l l d o z e r ，t h i st h e s i sp u t sg r e a te m p h a s i so n t h ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i co ft q 2 3 0f u l lh y d r a u l i cb u l l d o z e r ，a n dg i v e c o n c r e t ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i co fr u n n i n gf o r w a r d sa n db a c k w a r d s a t t h es a m et i m e ，u s ec o n t r o l l i n gm e t h o do fp i di no r d e rt oa s s u r et h e p r e c i s i o na n dr e a l t i m eo fc o n t r 0 1 f i n a l l y ，t h ef u n c t i o na n dp r o p e r t y o 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 ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：t h ef u l lh y d r a u l i cb u l l d o z e rt r a v e l i n gs y s t e md i g i t a l c o n t r o l l e r d s pp i da r i t h m e t i c 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 全液压推机行驶系统数宇控制器研究的背景跚乜1 】 2 2 】 随着我国的现代化建设事业的突飞猛进和西部大开发战略的实旄，对工程机 械的需求不单是数量多，而且对工程机械的技术水平也提出了相当高的要求。随 着国际高新科学技术的迅猛发展，工程机械行业的技术水平也水涨船高，在全球 范围内，传统的工程机械产品与现代电子技术、网络信息技术、计算机技术、通 讯技术、人工智能技术、机器人技术和传感器融合技术等高新技术相结合，大大 提高了产品的技术含量，形成了“机电一体化”、“机电液一体化”、“电子化”、 “自动化”、。建设机器人”技术等一大批成熟的高新技术，进而开发出了一大批 高技术含量、高档次的工程机械产品。因此，传统的工程机械基础与现代的高新 技术相结合，形成“机电液光讯一体化工程机械”、智能化工程机械”、“机器人 化工程机械”、“信息化工程机械”，这也是未来工程机械技术发展的方向与趋势。 自2 0 世纪6 0 年代开始，液压传动技术得到了很快的发展，逐渐成为成熟的 传动技术，近年来。随着液压技术和计算机控制技术的不断发展进步，并使二者 更好的结合，为液压传动赋予了完美的特性与巨大的生命力。目前，装载机、摊 铺机、振动压路机以及一些小型工程机械普遍采用了液压传动方式，而推土机采 用液压传动目前在国际上尚属前沿技术，国际上只有少数几家公司( 利勃海尔、 约翰迪尔( j o h n d c c e c ) 公司、n c w h o l l a n d 公司、美国卡特彼勒公司、日本小松 公司) 掌握了相关技术并开发出系列产品。履带式推土机上应用液压传动不仅可 以取得比液力机械传动更加优越的牵引性能，同时可便捷地使推土机实现智能 化、节能化、环保化，故推土机采用液压传动。即将成为技术竞争的焦点和发展 主流。 对于推土机这类牵引型机械一般无作业质量的要求，也不要求工作的稳定 性，但追求速度与负荷之间的自适应协调能力( 这种能力的实现主要依赖于行驶 控制系统的性能) ，目的是为了充分利用发动机的功率，提高作业生产率，降低 比油耗，即追求动力性、经济性、作业生产率。它的作业方式属典型的循环牵引 方式，其作业工况十分复杂、载荷变化频繁且范围较宽，它一般分为铲掘工况、 运土工况、卸土工况以及倒退工况。操作人员在作业中要操作的机构较多，无瑕 根据负载的大小来调节发动机油门的大小，往往使发动机油门处于固定位置，因 而造成大量的能量损失和机械损耗。铲掘工况时，推土阻力很大，发动机往往 在最大扭矩附近工作，造成发动机功率的损失，运土和卸土工况时推土阻力比铲 掘工况略小一些，但也会造成发动机功率的损失。倒退工况时，推土阻力很小， 往往要求机器具有较高的速度和较低的油耗，虽然发动机功率损失很小，但比油 长安大学硕士学位论文 耗较大。所以，推土机行驶驱动系统及行驶控制系统的性能是影响推土机作业性 能发挥的重要因素，决定着作业生产率的高低，而行驶控制器作为全液压推土机 的核心部件，可以减轻操作人员的劳动强度以及改善推土机作业的经济性和动力 性。因此，全液压推土机行驶系统控制器的研究具有重要的现实意义。 1 2 全液压推土机行驶系统控制器发展及国内外研究现状刚们日3 推土机行驶控制的发展经历了三个阶段。第一阶段：2 0 世纪8 0 年代以前， 行驶控制的操作主要以手动操作为主，由于手动操作主要凭驾驶员的经验和感 觉，所以控制精度差、驾驶员的劳动强度大。第二阶段：2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代，行驶控制的操作主要是模拟式电子控制器，进入8 0 年代以来，随着电子 技术的发展，电子控制的可靠性逐渐提高，而价格逐渐降低，电子控制进入其实 质应用阶段。与单一的机械控制和液压控制相比电子控制精度高、灵敏度好。但 这种控制器机构简单、灵活性差，其控制方式属于开环控制，不便于校准和进行 通讯，现在慢慢被数字控制器所淘汰。第三阶段，2 0 世纪9 0 年代后，行驶控制 的操作主要是数字式控制器，9 0 年代以来随着电子计算枫技术的不断发展，出 现了以数字电路为主的控制系统，这种控制器机构复杂，但控制精度高、运算速 度快、操作方便、工作稳定可靠，不易受外界环境影响。数字控制器由硬件和软 件两部分组成，硬件主要指微处理器及其外围设备，软件主要指它的控制算法。 由于其灵活的逻辑判断能力和极强的信息处理能力，致使许多过去难以解决和实 现的电液控制问鼹，如p i d 控制、时变控制、非线性控制、多变基控制、模糊控 制以及自适应控制等，只要改变其控制算法都可以借助数字控制器实现。 目前，不论是机械传动式推土机、液力机械传动式推土枫以及最新的全液压 推土机普遍采用了数字控制器。国内非全液压履带式推土机已初步形成一定生产 研制水平，且有了长足的进步，但在全液压推土机研究上，国内还处于研发起步 阶段，与世界先进水平相比还有较大差距。国内有鞍山第一工程机械股份有限公 司技术中心正在从事静液压推土机电液控制系统和静液压推土机大流量、高压力 变量泵、变量马达研制工作；宣化工程机械厂在研究静液传动技术在履带推土机 上的应用；黄河工程机械集团技术中心和三一重工业集团有限公司也正在从事静 液传动技术研究与应用。在这几家中又以鞍山第一工程机械股份有限公司技术中 心取得的技术最完善。其在1 9 9 6 年与德国利勃海尔合作开发全液压推土机，并 引进了三个系列多种规格利勃海尔推土机制造技术。1 9 9 7 年7 月出p r 7 5 1 样机， 1 2 月出p r 7 4 2 样机，1 9 9 8 年5 月出p r 7 3 2 样机，且p r 7 5 1 推土机在1 9 9 7 年实 现国产率达5 0 ，鞍山第一工程机械股份有限公司是国内最早生产、研发全液压 推土机的工程机械厂家，也是目前国内唯一能生产全液压推土机的厂家。 国内的推土机上有很多采用r e x r o t h 公司的m c 6 ，m c ? 控制器，其微处理器 2 长安大学硕士学位论文 由1 6 位逐渐向3 2 位微处理器过渡，在推土机行驶液压控制系统的研究上，国外 处于领先地位，j o h nd e c r c 公司开发了h 系列静液压推土机，采用液压变速装置， 用单手柄完成操纵和转向控制，可实现无级变速；电子智能装置对整个系统和液 压装置进行自动控制。9 0 年代末，日本小松首次在小松d 1 5 5 a x 3 推土机上使 用h m t ( h y d r o m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 液压机械传动，可实现在很大转速范 围内无级变速且换挡，电子控制系统由信号输入传感器、电子控制器和执行元件 三部分组成，可实现发动机恒速控制，结合元件换挡控制。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h 儿“1 随着我国的现代化建设事业迅速的发展，工程机械作为一个年轻的行业在技 术水平、品种数量、产品质量、专业化生产程度、生产规模、用户服务、施工技 术等方面均以高速度向前发展。但是我国的工程机械制造业起步较晚、起点低、 有些产品的数量、质量、性能尚不及国外同类产品。尽管自“七五”、“八五”以 来，通过引进技术、消化吸收和开发创新，有了自己系列化的工程机械产品，并 较以前有了一个长足的进步，但仍不能完全满足国内建设的需要，也不足以同国 外同类产品相抗衡。目前国外一些高质量、高效率的工程机械，尤其是机电液一 体化的工程机械纷纷挤入国内市场，推进我民族工业发展的同时也形成了严重的 威胁。 为适应我国现代化建设的需要，工程机械产品正向着商质量、高性能、高精 度的方向发展。当今电子技术高速发展，微型计算机的实时控制技术已涉及各个 工业控制的领域，工程机械行业同样也不例外。可编程控制器( p l c ) 、小型工业 控制机、工业级单片机等微型控制器在工程机械上的应用充分显示了它们的才 华。目前国外工程机械产品的控制系统大都采用先进的微型计算机控铝0 器，并且 一些大的公司有了其成型产品，例如萨奥公司和力士乐公司等。而在国内，尽管 一些大的工程机械厂家为了提高其产品的性能、增加其市场竞争力，在许多工程 机械产品上也采用了微机控制技术，但其控制器件主要依靠进口，没有自己成型 的产品。此种情况在推土机控制系统的应用上体现得尤为突出。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 课题的提出 本文是课题“全液压推土机”的一部分，在论文全液压推土机行驶静压驱 动系统研究中对全液压推土机行驶控制及传动方案进行了研究，建立了行驶驱 动系统的动态特性数学模型并对其进行了仿真。本文将在前期工作的基础上，对 长安大学硕士学位论文 推土机控制模式和控制方案进行探讨，依据控制规律，提出控制算法，并设计出 具体的数字控制器，最后对数字控制器进行实验研究。 1 5 本文研究的主要内容 本论文旨在根据全液压推土机行驶系统的控制要求，将目前比较新型的d s p 芯片应用到全液压推土机行驶控制器中来，为更好控制全液压推土机打下基础。 本文的研究内容主要有以下几点： i 收集和整理与国内外全液压推土机行驶与控制系统的研究现状相关的资 料，分析推土机行驶系统的控制要求。 2 分析全液压推土机行驶系统特点，提出具体的控制模式和控制方案，选 择合适的数字控制器。 3 针对全液压推土机的不同工况提出合适的的控制算法，通过算法改善系 统的性能，实现推土机前进后退、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。 4 完成数字控制器的模拟硬件设计。 5 完成数字控制器的软件设计。 6 进行相关的实验研究 4 长安大学硕士学位论文 第二章全液压推土机行驶系统控制方案研究 全液压推土机行驶系统的控制一般有三种：电液控制、液控制以及电液复合 控制，各种方式都有独特的应用场合。本控制器设计中，我们选择电液控制作为 全液压推土机行驶系统的控制方案。本章我们首先分析了全液压推土机行驶系统 的电液控制原理以及泵、马达的控制方式，最后提出了一具体的控制方案。 2 1 全液压推土机行驶系统电液控制 2 1 1 液压行驶驱动系统的组成n 瑚1 图2 1 为典型履带式推土机单边行驶液压系统驱动回路。由变量泵变量 马达组成闭式变量液压系统，且为双泵一双马达组成的左右独立驱动回路。这样， 两边回路进行统一控制，既可联动实现车辆的前进、后退及相应的速度改变，又 可分别动作，实现不同半径的转向或原地转向。 图2 - 1 全液压推土机行驶液压驱动系统单边回路 2 1 2 液压行驶驱动系统电液控制方式n 町“跏 图2 2 是典型的电液控制驱动系统，液压行驶驱动的控制主要是对变量泵 图2 2 电液控制的液压驱动系统 5 长安大学硕士学位论文 和变量马达进行控制，通过改变比例电磁铁的控制电流来改变摊量的大小。 i 变量泵的控制方式 变量泵有不同的控制方式，行走驱动闭式回路常用的有行程液压调节 ( i - i w ) 、控制压力调节( h d ) 、电液调节( e p ) 和转速调节( d a ) 等调节方式， 此外还可以进行各种组合。根据实际情况选择合适的调节方式不但可以简化液压 回路，还可以极大的提高控制性能，我们选的是电液调节( e p ) 。 比例控制变量泵是利用电机械转换元件和控制阀来操纵变量机构的，变量机 构实质上是一位置控制系统，变量活塞的位置和泵的捧量调节参数一一对应。其 工作方式是与比例电磁铁电流有关的控制压力通过比例电磁阀控制向交量活塞 提供控制压力，因而泵的斜盘及排量无级可变。液压泵变量机构的基本作用是改 变泵的排量，使泵的排量的改变和输入信号成正 比，以根据系统的参数变化进行泵的捧量的调节， 达到流量补偿、压力补偿以及功率的适应控制的 目的。这样的控制称为电液比例排量控制。电比 例泵的控制特性如图2 3 所示。控制电流由l 变 化至j ，时泵排量由零变化至最大，对应于任一电 流值都有一确定的排量与之对应，其排量方程为 1 _ i 一一l b li 。 一q , - 图2 - 3 电比例泵的控制特性 ”慧( ，- i o ) ( 2 _ 1 ) 2 变量马达的控制方式 与变量泵相同，变量马达的调节方式也有行程液压调节( i - i w ) 、控制压力 调节( h d ) 、电液调节( e p ) 和转速调节( d a ) 等调节方式，同样可进行各种 组合。 比例排量变量马达和比例排量变量泵的变量机构和原理是基本相同的，即马 达的排量的改变根据电子信号的改变，利用 适当的电一机转换装置，通过液压放大级对 马达的排量机构进行位置控制，使其排量与 输入信号成正比，以实现马达所要达到的控 制性能。电比例马达的控制特性如图2 - 4 所 示。控制电流由变化至，0 时马达排量由零 变化至最大，对应于任一电流值都有一确定 的排量与之对应，其排量方程为 ， - 导( ，- i ) 6 i 1 1 i o 0 图2 - 4 q q - 电比例马达的控制特性 ( 2 2 ) 长安大学硕士学位论文 3 电液控制的原理 在了解电动比例变量泵和马达的控制特性以后，就可以分析行驶驱动系统的 液压传动回路，如图2 5 所示。 其控制原理为：用一根操作手柄即可完成车辆的行驶和转向，操作非常简便。 手柄采用可编程的电子远程控制手柄4 t h e 6 ，它可以根据程序化的参数对电子 先导比例执行器进行直接控制，它的工作原理主要是通过光电转换来完成的，操 作手柄使反射角发生变化，然后对角度的大小进行测量，一个角度对应一个电信 号，通过光电转换产生小比例电信号，这个信号由控制轴上的微处理器通过固化 的参数进行处理，转换成一路或多路电功率信号，电功率信号用来对连接的执行 器直接进行控制。操作手柄可实现前进、后退、左转、右转。要实现前进动作时， 操作手柄使电流加到左右两泵电磁换向阀的左端，电磁换向阀在电磁力的作用下 推动阀芯向右端移动，使左右两泵的排量增大，实现前进动作，通过控制加在电 磁换向阀电流的大小就可控制前进的速度。后退时，让泵反转，操作手柄把电流 加在换向阀的右端，电磁力使阀芯向左移动，使泵的择量增大，从而实现后退， 同样可通过改变换向阀电流的大小来控制后退的速度。右转时，操作手柄使电流 加在左泵抉向阀的右端和右泵换向阀的左端，使左泵的捧量减小，而右泵的摔量 增大，从而实现右转。左转时，和右转正好相反，操作手柄使电流加在左泵换向 图2 5 电液比例控制的行驶驱动系统液压传动回路图 阀的左端和右泵换向阀的右端，使左泵的拌量增大，而右泵的排量减小，即可实 现左转。同样，转向的速度由左、右两泵的排量变化的快慢决定，而泵的捧量的 改变可通过改变电磁换向阀的电流大小实现，所以转向的速度也通过改变换向阀 电流的大小来控制。 2 2 行驶系统控制器控制方案研究 2 2 1 行驶控制器的功能口射 推土机主要是完成推运土作业的，载荷波动大，它不要求作业的恒定性，但 7 长安大学硕士学位论文 追求速度与负荷间的自适应协调能力，所以它对速度的恒定性要求不是很高。全 液压推土机控制系统的核心是行驶控制，其中包括：行走操纵、行驶纠偏、原地 转向等控制功能模块，行驶控制器除了完成上面所提到的基本功能外，还具有故 障诊断、显示、外部通信等功能。 行走操纵 全液压推土机的行走、转向及后退和换档操作集成于一个行驶操纵手柄，其 行走及转向传感器为两个方向正交的电位计，分别向控制器提供前一后、左一右 两个模拟信号，控制器根据此二信号进行分配计算后产生四路p 眦信号分别调节 左、右油泵比例阀以控制泵的输出排量及方向，从而实现行走转向操纵。 行驶纠偏 行走液压系统由于采用了左、右两个独立的闭式回路，由于两边泵和马达流 量特性往往存在很大的差异，使得左右行走马达的输出转速不一，从而造成行驶 跑偏。控制器根据左右马达输出速度传感器检测到的马达速度，计算出其差值， 然后分别调节左右行走马达( 或泵) 的电比例阀电流调整捧量，使左右马达的输出 转速保持同步而达到直线行驶的目的。 原地转向 这是全液压推土机特有的一项机动性能，原地转向时要求两侧履带同时反向 运动，控制器根据行驶手柄信号方便地控制油泵比例阀电流，改变左右油泵的高 压腔从而改变马达的转速方向完成该动作。 故障诊断 故障诊断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。控制器加电开始工作时，进 行自检功能过后，能将自检的结果显示出来，包括一些错误信息和系统状态正常 的信息。 显示 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 功能完成机器主要参数的显示、功能显示以及故障显示等。 通信 通信主要实现主控制器与其它控制器间以及上位机的通信( c a n 总线接口， r s 4 8 5 2 3 2 通信接口) 。能通过r s - - 2 3 2 接1 ：2 与上位机p c 进行通信，实现在调 试阶段一些重要参数的修改功能，还能通过c a n 总线控制器将各种传感器( 压 力、温度) 的检测信号准确传送到主控制器里，然后在主控制器里对各种信号进 行处理。 8 长安大学硕士学位论文 本论文主要完成行走操纵、行驶纠偏以及原地转向功能，故障诊断、显示以 及通信功能详细内容请参见论文基于d s p 的全液压推土机通信控制系统研究 2 2 2 控制器的硬件组成 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。控制器硬件组成的方框图如图2 - - 6 所示。 1 主要的输入信号 模拟量：驱动手柄电位器( 设定行驶方向及速度的大小) 、转向电位器( 设 定转向方向及转向半径) 。 开关量：发动机转速设定开关、紧急制动开关、自动手动转换开关。 脉冲量：发动机转速以及两马达转速的反馈信号。 2 主要的输出信号 p w m 信号：4 路p w m 信号分别控制左右泵和左右马达，1 路p w m 信号通过步进电机控制发动机的油门调节。 开关量：制动油缸电磁阀、自动手动转换信号灯 图2 - - 6 控制器硬件组成的方框翻 2 2 3 行驶控制系统的控制方案口儿朝 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 7 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 7 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y 趣( 分别为 9 长安大学硕士学位论文 变量泵右前进、右后退比例电磁阀) 以及主电磁阀y 。和y 。( 分别为左右马达比 例电磁阀) ，通过调节y 、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k 四个电磁阀以不同组合方式工作，实 现前进、后退及转向；通过调节y 。、y 。的电流控制马达的排量，实现推土机推 土时不同速度的转换：电位器艮、r t 分别用作驱动手柄和转向的控制，驱动手柄 电位器r 。确定推土机行驶方向，同时对行驶速度进行无级调节，驱动手柄电位 器要考虑一定的中位死区，转向电位器r ，可以改变左右电磁阀输入电流大小， 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，左转时，则左侧速度减小，右侧速度增大或不变l 右转时： 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。 在数字控制器上专门设置一个原地转向按钮，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，在前进后 退时，禁止原地转向。 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 s 。紧急制动时 关闭所有的输出信号。 图2 7 行驶控制方案 长安大学硕士学位论文 2 2 4 主控制器的选择嘲啪儿制 在确定了控制嚣所实现的功能后，必须选择一合适的主控制器，它直接影响 到控制性能的好坏。目前能满足全液压推土机控制要求的控制器有：可编程控制 器( p l c ) 、单片机、工业控制计算机以及数字信号处理器( d s p ) 等，他们各有 优缺点。 1 单片机：目前，许多工程机械都普遍采用单片机作为主控制器，因为它易 于实现数字控制，尤其是新型的8 位、1 6 位单片机具有模数和数模转换功能， 就更有利于在数字控制器中得到应用。利用单片机开发的数字控制器成本低，而 且单片机的应用已经相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例和大量的公用程 序，开发上就显得比较容易些。由于单片机运算能力较强，能在短时间内完成大 量的计算量，而且它具有很强的逻辑判断功能，可以实现比较复杂的控制。推土 机的工作环境通常非常恶劣，所以要求控制器具有比较高的抗干扰能力，但单片 机属于微电系统，容易受到强电、磁场、电脉冲、电压脉冲等外界干扰的影响， 所以这就限制了单片机在推土机上的应用。 2 可编程控制器( p l c ) ：可编程控制器p l c 主要是针对顺序生产过程而设 计的控制器，具有很强的时序性，同时p l c 是专为工业现场环境设计的，设计 者在设计p l c 时，充分考虑到它的工作环境是比较恶劣的工业现场，所以整机 采取了不少强化措施，抗干扰能力比单片机强。随着推土机控制精度越来越高， 要求控制器具有很强计算能力和计算速度，这就限制了它在推土机控制上的实 现，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，。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。 3t 业控制计算枫：工控机集单片机和p l c 优点于一身，其接口简单，可 以采用高级语言编程、设计友好的工作界面，具有很强的控制功能，但系统结构 复杂，成本比较高，如果只针对行驶控制系统，使用工控机就不能充分发挥其功 能。同时，由于工控枫采用的是高级语言编程，其系统程序很大，对于一些需要 高速响应的实时控制场合将显得比较吃力，比如在试验中，利用工控机产生l m s 脉冲信号的准确废相对来说很差，这就严重影响了控制精度，不利于在响应度要 求较高的行驶系统中应用。 4 数字信号处理器( d s p ) ：由于d s p 采用的是哈佛结构( 单片机采用的是冯 诺曼结构) ，能对数据进行并行处理，因此处理速度快，数据吞吐量大，在系统 复杂、实时性要求较高的场合已完全取代单片机。d s p 芯片广泛采用流水线，以 减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。芯片内配置了一个或多个硬 件乘法器和累加器，能实现单指令乘加运算和变址运算。芯片内设置了多种功能 1 长安大学硕士学位论文 很强的外围器件和接口，使其运算速度可以比p c 机快很多倍，现今的d s p 在其 结构上一般配备了可编程定时高速串行接口、多处理器连接接口等。因此，用它 来处理数字信号，特别是线性变换( 快速傅立叶变换、希尔伯特变换、余弦变换 等) 、数字滤波( 有限冲激响应滤波和无限冲激响应滤波等) 、卷积运算等，速度 大大提高。 数字信号处理器( d s p ) 的出现，一改以往单片机只能处理逻辑和简单数学计 算的状况，使得控制器可以进行相当复杂的数学处理。d s p 具有强大、高速的数 学处理能力，可以进行实时信号处理，易实现智能化算法。工控机虽然也可进行 复杂的控制，但和d s p 相比其结构复杂、价格较高，另外它的响应也比d s p 慢， 不适合推土机这种对响应要求很高的机器。可编程控制器( p l c ) 由于具有较强 抗干扰能力广泛应用在推土机上，但与d s p 相比它的计算能力和运算速度要逊 色很多，显然无法满足全液压推土机复杂的工况和智能化的要求。通过以上分析。 我们选择数字信号处理器( d s p ) 作为全液压推土机行驶系统的主控制器。 2 3 d s p 的选择 2 3 1d s p 简介昭铂 嚣1 世界上第个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的8 2 8 11 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。 这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本 n e c 公司推出的ppd 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。在这之后， 最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一 系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列 产品t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二代i ) s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第 四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 将常用的d s p 芯 片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如 今，t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上最有影响的d s p 芯片。t i 公 司也成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 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) 是以数字信号处理为基础， 因此具有数字处理的全部优点： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相 长安大学硕士学位论文 互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容 易得多； ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵 活方便地对软件进行修改和升级； ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 小，可靠性高； ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 ”的精度； ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系 统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，d s p 也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟 交换线的电话接口，若采用d s p 则使成本增加。d s p 系统中的高速时钟可能带来 高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。此外，d s p 技术 更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。 虽然d s p 系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、 图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 设计d s p 应用系统。选择d s p 芯片是非常重要的环节。只有选定了d s p 芯 片，才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片的选择 应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用 目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。根据全液压推土机控制系统 的控制的控制要求，我们选用了t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为控制器的 核心处理器。 2 3 2t i l s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片介绍啪嘲 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是美国1 1 公司于1 9 9 9 年推出的一种高性能1 6 位定点数字 信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是1 1 公司c 2 x x 系列成员之一。 t m s 3 2 0 l v 2 4 0 7 基于c 2 x l p 内核，和以前c 2 x x 系列成员相比，l f 2 4 0 7 主要是 增加了一些片内的资源，例如，增加了c a n 总线，其内部存储器的容量有一定 的提高，内置a d 转换器输入通道数达到1 6 个之多，因此，它具有良好的外围 扩展能力，能满足各种场合下的要求。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 采用1 4 4 引脚t o f p 四边形封装，采用了改进的哈佛结构， 该结构有6 条总线，使数据处理能力达到了最大限度。程序、数据空间的分离， 使得同时进行程序指令和数据的存取成为可能，具有高度的并行性。图2 - - 8 为 其内部结构框图。( 可参见1 f 1 公司资料：t m s 3 2 0 2 x xu s e r sg u i d e ，2 0 0 0 ) 长安大学硕士学位论文 c 2 x x d s p 核 仁爿事件管理横快all 事件管理摸快b ，s 位桶形移位器i ，1 ：6 x 位1 移6 耥位器 | 定时器 j 3 2 位a l u 刮c a n 模快l 3 2 位累加器l串行外设接口 j 8 个辅助寄存器 刊 串行通信接口 l 8 级硬件堆栈 2 个状态寄存器 # = a d 转换器 i 图2 8 l f 2 4 0 7 内部结构框图 i m s 3 2 吐心4 0 7 的性能特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3v ，减小了控制器的 消耗。3 0mi p s 的执行速度，使指令周期缩短到3 3n s ( 3 0m h z ) ，从而提高了控 制器的实时控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证t m s 3 2 0 i e 4 0 7 代码和 1 m s 3 2 0 c 2 x x 系列其它的芯片代码相兼容。 片内有高达3 2 k 字节的h a s h 程序存储器，高达1 5 k 字节的数据程序 r a m ，5 4 4 字节双口r a m ( d ar a m ) 年【i2 k 字节的单口r a m ( s ：a 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个都包括2 个1 6 位通用定时器，8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道，它们能够实现三相反相器，控制p w m 的对称和 非对称波形。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字节空间，这包括6 4 k 字节的程序空间， 6 4 k 字节的数据空间，6 4 k 字节的地址空间。 看门狗定时器模块w d t 。 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0n s ，可选择两个事件管理器来触发 2 个8 通道输入a d 转换器。 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 串行通信接口( s c i ) 模块。 1 6 位串行外设( s p i ) 接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。 1 4 长安大学硕士学位论文 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入，输出引脚( o m o ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 - 电源管理包括了3 种低功耗模式，能独立将外设器件转入低功耗模式 2 4 本章小结 本章主要是对行驶系统控制方案进行分析，主要有以下几点： 1 分析了全液压推土机电液控制原理及a 4 v g 变量泵、a 6 v m 变量马达的控 制方式，并介绍了电液控制的优点。 2 提出了行驶控制器的基本功能 3 分析了控制器的硬件组成并设计出了具体的控制方案。 4 通过比较单片机、p l c 、工控机及d s p 各种数字控制器的优缺点，选择 d s p 作为全液压推土机行驶系统的主控制器，进而对d s p 及选用的t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片做一简单介绍。 长安大学硕士学位论文 第三章数字控制器控制算法设计 数字控制器控制系统的设计，就是在给定系统性能指标的条件下，设计出控 制器的控制规律和相应的控制算法。通过控制算法完成控制器的控制功能，满足 系统的要求，所以控制算法的设计是进行控制器控制系统设计的基础。 3 1 起步、停车控制算法研究璐儿郇 在液压行驶系统中，机器从一种状态过渡到另一种状态，是一个逐渐变化的 过程。在推土机作业过程中需要不断进行起步、停车，液压缸会受到较大的冲击， 所以我们通过控制器使之实现逐渐变化的过程，通常按一定的斜坡时间来完成过 渡的。参考文献5 给出了最短斜坡时间的计算公式： k ( s e c ) 1 4 ( 3 - 1 ) 式中，v 管路、马达中的总油液体积+ 泵中的油液体积( c m 3 ) ； i 马达及马达轴上的负载惯性矩( k g r a 2 ) ； 卜马达的排量( c m a r e v ) 。 泵最大排量口。- 1 2 5 c m 3 r e v ，马达最大排量q 一2 0 0 c m 3 r e v ，负载惯 性矩i 0 1 0 7 6 k g m 2 ，将以上各参数( 泵、马达最大排量时) 代入( 3 - 1 ) 式得 推土机在作业状态下的最短斜坡时间，瓦。t0 4 6 s 。对于最短斜坡时间在参考文 献5 中已经作了比较详细的论述。斜坡时间应为( 0 5 0 7 ) x1 5 s 较为合适， 变化范围因速度而定，速度越高，斜坡时间越长，速度越低，斜坡时间越短。减 速时，推土机液压系统的冲击较小。 3 2 推土机典型工况算法研究 由于推土机在工作循环中载荷变化非常剧烈，为此，分工况介绍在不同典型 工况下的控制算法，以实现推土机工作过程中满足动力性和经济性的要求，获得 最佳的工作效率，降低燃油消耗率。根据推土机作业工况我们可以分为四个典型 工况：铲掘工况、搬运工况、行驶工况以及倒退工况。不同工况对推土机有不同 的需求，铲掘工况和搬运工况要求推土机提供大的输出功率，不考虑油耗，即主 要考虑推土机的动力性：行驶工况和倒退工况不要求大的输出功率，而要使油耗 最低，即主要考虑推土机的经济性，所以不同工况必须采取不同的控制算法，这 样才能提高推土机的的作业效率，减轻驾驶员的劳动强度和降低油耗。铲掘工况 和搬运工况控制算法在论文基于d s p 的全液压推土机通信控制系统研究中有 详细论述，本文着重对行驶工况和倒退工况控制算法进行讨论。 3 2 1t q 2 3 0 型全液压推土机发动机特性分析 长安大学硕士学位论文 t q 2 3 0 型全液压推土机所使用的康明斯发动机n t 8 5 5 - - c 2 8 0 的特性曲线如 图3 1 所示。 h | + _ j 一 ：| 、 目 | t ； i 7；1 j j ! j tl z l | r | | _ 。 ，1 r 图3 一l 发动机特性曲线图 由图中曲线可拟合出功率、扭矩以及油耗与发动机转速的方程： 1 功率与转速的方程 n 。一0 0 0 0 1 0 4 n 2 + 0 4 3 2 n 一2 1 0 1 1 7 ( 3 - - 1 ) 2 扭矩与转速的方程 长安大学硕士学位论文 m 一0 0 0 0 2 7 1 n 2 + 0 7 7 1 n + 1 6 3 2 4 2 3 油耗与转速的方程 g 。一0 0 0 0 1 0 i n2 0 , 3 1 6 n + 5 9 3 8 8 9 ( 3 1 ) ( 3 3 ) 根据推土机工佟工况和发动机的特性曲线将发动机外特性曲线分秀强力区、 经济耗油区和中间耗油区。从以上的发动机特性曲线图中可以得知： 发动机的最大空转转速为2 3 5 0 r p m 发动机的额定转速为2 1 0 0 r p m 发动机的最低油耗点转速为1 6 0 0 r p m 发动机的最大扭矩转速为1 4 0 0 r p m 由表3 1 所列数据推知，发动机的强力功率区为1 9 0 0 2 1 0 0 t p m ，只考虑 油耗时其经济耗油区为1 5 0 0 1 7 0 0 r p m ，半经济耗油区为1 7 0 0 1 9 0 0 r p m 。 表3 1 发动机参数表 n ( r m i n )n f b h p )m ( n m )g ( g b h p h )n ( k w )m ( n m ) 昏( g b h p h )r s 2 1 0 0 2 3