（机械电子工程专业论文）单片机控制数字变量柱塞泵的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 数字化是现代液压技术的一个重要发展方向，为现代液压技术带来了节约能 源、灵活控制、提高自动化程度等很多优点。随着计算机的迅速发展，液压元件的 发展已从模拟元件转向数字元件，数字化已逐渐成为现代液压技术的主流。 目前，数字变量轴向柱塞泵还存在着很多问题。因此，本课题在莳人的基础上， 对其进行改进，提出了利用单片机控制，步进电机驱动的数字变量轴向柱塞泵。它 以市场化为前提，以成本低廉的单片机为控制核心，大大降低了本课题的成本，便 于以后中小企业的生产和推广。 本文综述了国内外的有关数字元件的研究和发展状况；介绍了数字轴向柱塞泵 的工作原理：论述了单片机控制步进电机的原理及软、硬件设计；丰富了币片机直 接控制步进电机的方法；设计了数字轴向柱塞泵的结构，建立其系统控制模型，并 对其进行特性和误差分析。在m a t l a b 下进行了动态仿真，取得了很令人满意的 结果，从理论1 i 二证实了本课题的数字轴向柱塞泵的系统工作原理是可行的，结构设 计是合理的。 本课题所设计的变量调节机构采用结构简单、应用方便的双边滑阀做执行机 构，大大减化了变量机构的结构，提高了数字泵的性能，从而使在一个普通模拟的 轴向柱塞泵上，加装上变量机构和单片机系统，就能得到个精确控制的数字变量 柱塞泵。 本文描述了系统的结构参数及性能参数变化对系统的影响和系统的误差分析， 得出影响系统动态特性的因素，提出了改进参数的方法。 因此，本课题所设计的变量调节机构具有结构简单、控制精确和成本低廉等特 点，可以满足市场化的需求。 关键词：数字泵，单片机，步进电机 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y o ft h ed i g i t a lc o n t r o lv a r i a b l ea x i a lp i s t o np u m pa n di t s s c mc o n t r o l a b s t r a c t t h e d i g i t i z a t i o ni so n eo fi m p o r t a n td e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f m o d e m h y d r a u l i c i tt a k e s s o m e a d v a n t a g e so f m o d e m h y d r a u l i c ，s u c h 髂e n e r g y - s a v i n g ，f l e x i b l e - c o n t r o la n di m p r o v i n g a u t o m a t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e m w 池t h eg r e a tp r o g r e s so fc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h e a s p e c to f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s i st u m e df r o ms i m u l a t i o nc o m p o n e n t st od i g i t a lo n e sa n dt h e d i g i t i z a t i o ni sm a i n s t r e a mo f t h em o d e m h y d r a u l i cg r a d u a l l y a tp r e s e n t , d i g i t a lv a r i a b l ed i s p l a c e m e n ta x i a l p i s t o np u m ph a ss o m ep r o b l e m s t h e r e f o r e ，o nt h eb a s eo fp r e v i o u sw o r k , i m p r o v e m e n ti sb r o u g h ta b o u ta n dd i g i t a l v a r i a b l ed i s p l a c e m e n ta x i a lp i s t o np u m pc o n t r o l l e db ys c ma n dd r i v e nb ys t e pm o t o ri s b r o u g h tf o r w a r d i nt h es u b j e c t o nt h eb a c k g r o u n do f m a r k e t , c h e a p e rs c m i sa sc o n t r o l c o r e ，w h i c hc u t sd o w nr e s e a r c hc o s tg r e a t l ya n di sc o n v e n i e n tf o rb e i n gp r o d u c e da n d e x t e n d e d b y m i d d l ea n dl i t t l es c a l ec o r p o r a t i o n t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n f o r d i g i t a lc o m p o n e n t s 砒h o m e a n d a b r o a di ss u m m a r i z e di nt h ep a p e r t h ew o r kt h e o r yo f d i g i t a lp u m p i si n t r o d u c e ds i m p l y n e p r i n c i p l eo fs t e pm o t o rc o n t r o l l e db ys c m a n dt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r ed i s c u s s e d m o r e o v e r , t h em e t h o d so fs c mc o n l r o l l i n g s t e pm o t o ra r e e n r i c h e d t h es t r u c t u r eo fd i g i t a la x i a lp i s t o np u m pi sd e s i g n e da n dt h es y s t e mc o n t r o l m o d e lo ft h ep u m pi ss e tu p f u r t h e r m o r e ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h ep u m pb y m a t l a bi sa c q u i r e da n di t sr e s u l t sa d d u p t ot h en e e ds a t i s f a c t o r i l y , w h i c hv a l i d a t e st h e f e a s i b i l i t yo f t h es y s t e mw o r k p r i n c i p l eo f t h ed i g i t a la x i a lp i s t o np u m pf r o mt h et h e o r y a n dt h es t r u c t u r ed e s i g ni sr e a s o n a b l e t h ed o u b l ee d g es l i d ev a l v ew h i c hi ss i m p l es t r u c t u r ea n df a c i l i t ya p p l i c a t i o ni s a p p l i e d t ov a r i a b l ea d j u s tf r a m e w o r kd e s i g n e di nt h e s u b j e c t ，w h i c hp r e d i g e s t st h e s t r u c t u r eo fv a r i a b l ea d j u s tf r a m e w o r kg r e a t l ya n da d v a n c e sc a p a b i l i t i e so fd i g i t a lp u m p s ot h a td i g i t a lv a r i a b l ep i s t o np u m pc o n t r o l l e da c c u r a t e l yi sg o t t e ni fv a r i a b l ef r a m e w o r k - 些堕三些叁兰堡主兰垡堡茎一 a n ds c m s y s t e m a r ef i t t e do nt h eg e n e r a ls i m u l a t i v ea x i sp i s t o n p u m p ， t h ee f f e c to ft h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ns y s t e ma n d e r r o ra n a l y s i s a r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r ，m o r e o v e r , t h ef a c t o r sa f f e c t i n gs y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a r eo b t m n e da n dt h em e a s u r e so fm e n d i n gp a r a m e t e r sa r ep u tu p w i t h c o n s e q u e n t l y ，v a r i a b l ea d j u s t f r a m e w o r kd e s i g n e di nt h es u b j e c tp o s s e s s e ss o m e c h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ：s i m p l es t r u c t u r e ，a c c u r a t e l yc o n t r o l l i n ga n dl o wc o s t ，w h i c hi s c a p a b l eo f m e e t i n g t h en e e d 。o f m a r k e t k e y w o r d s ：d i g i t a lp u m p ，s c m ，s t e p m o t o r - 3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。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 沈阳工业大学或其他教育机构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任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 对段 l 。u 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 数字元件的研究背景 随着我国工业现代化建设步伐的较快，能源缺乏使得能源的合理利用变得更加 重要。在流体传动及控制技术领域，节能技术同样必不可少。开展流体传动节能技 术的研究不仅可从现有液压设备的节能技术改造中获得巨大经济效益，而且也是开 发高效液压气动元器件，赶超国际先进水平的需要【l 】0 为了提高系统的性能，近代控制策略在液压伺服控制串广泛地应用，比如p i d 、 自适应控制、鲁棒控制( p i c h er 和p o n j o l a i n e us 实现了系统其有良好的静动特 性且对宋建模动态呈现较强的鲁棒性1 2 】，虽然系统包含豹不确定因素，但仍能使控 制系统具有良好的性能；h s i atc 【3 j 提出鲁棒伺服控制方法) 等。另外，随着微机 及数控技术在国民经济各部门应用日益广泛，液压和电子技术结合已成为必然趋势 4 。】。而且，机器工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制系统也提 出了更高的要求嘲。这样，只靠传统的液压控制系统就不能满足要求，尤其是8 0 年代以来，逐步完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为电子技术和液压技 术的结合创造了条件。计算机控制在液压控制系统中的应用大大提高了控制精度和 自动化程度，使褥以往滩以解决的控制难题有了突破的希望 ”。这样，计算机就会 广泛应用到液压系统中，数字元件就应运而生了。基于数字元件的控制精度高、节 约能源、抗干扰能力强等优点，积极开展数字元件和数字系统的研究是液压数字控 制的一个十分重要的课题。 1 2 内外液压数字元件的研究及应用现状 一般来说，液压数字元件主要包括：液压数字阀、数字缸、数字马达、及数字 泵。下面就简单介绍一下前三者，而对于数字泵将在以后详细介绍。 用数字信息直接控翻的阀，称电液数字阀f 竹。根据控制方式的不同，电液数字 闲主要分为增量式数字阀和脉宽调制式数字阀，前者发展较快些，它也是根据步进 电机原有的位置和实际行走的步数，便可得到数字阀的开度。后者处于研究阶段， 其具体分类如图1 1 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 电液数字阀 增量式数字阀f 流量阀 f 压力阀 i 方向流量阀 脉宽调制式数字阀 盘式电磁铁+ 锥阎 螺管电磁铁+ 锥阀、球阀 力矩马达+ 球阀 压电晶体+ 滑阀 图1 1 数字阀的分类 电液数字阀虽然历史并不长，但是发展较快。国外7 0 年代后期开始研制，以 日本较为领先【8 们。8 0 年代初日本开始推出系列产品，如1 9 8 2 年前后日本东京计器 公司首先推出了直动数字式压力阀，数字式流量阀及数字式方向流量阀l l “，并开 始广泛应用在机械、试验机、工程机械、汽车、冶金机械等工业控制中。1 9 8 7 年， 日本高谷技术公司研制成新型r c v 旋转式数字方向流量控制阀，该阀结构简单、 制造容易，造价低廉。目前，日本已经开发出规格齐全、性能稳定的增量式数字 阀产 7 1 。8 0 年代中后期，我国的许多大专院校及研究所也开展了电液数字阀的研 究如浙江大学、上海大学、哈尔滨工业大学、广州机床研究所等。这里，浙江大 学研制了由盘式电磁铁与锥阀组合而成的快速开关式数字阀【i5 1 ，并于1 9 8 6 年通过 技术鉴定。这种阀的电磁作用力较大，可达1 2 0 n ，缺点是阀芯行程较短。上海大 学对步迸式数字溢流阀及基于二进制原理的气动数字流量阀进行了研究f 】“”】。广州 机床研究所于8 6 年末研制成功了由步进电机驱动的直接式数字阀，其性能指标己 达到了国外8 0 年代初期同类产品的水平，为国内首创【1 8 】。尽管这样，我国在数字 元件方面仅限于研究，还未形成系列产品，研究和应用都有一定的局限性。 对于液压数字缸、数字马达是上个世纪六、七十年代开始出现的。1 9 5 9 年， 日本富士通公司研制出了一种由步进电机控制的电液脉冲马达，它的出现标志着增 量式数字元件的诞生。1 9 7 0 年，西德力士乐公司利用螺纹伺服机构研制出了液压脉 冲缸，它实质上是三通阀控制差动缸的机液伺服机构，这种数字缸零件少，结构紧 沈阳工业大学硕士学位论文 凑，但加工困难【1 9 l 。日本东京计器公司在“1 9 9 7 年液压、气动国际展览会”上展出 的电液脉冲缸，是利用位置反馈把丝杆装在活塞杆里，使活塞位置直接机械反馈到 阀芯，其特点是机构简单，定位精度高1 2 。】。我们国内的研究也进行了相应的发展， 如浙江大学液压研究所和江西第二机床厂联合研制了高速数控步进液压缸，它由步 进电机、伺服阀和液压缸组成，并采用内控型刚性反馈【2 1 。北京钢铁设计研究总院 与航天工业部国营清华机械厂合作研制成功了新型数控脉冲液压缸，结构简易，制 造容易将其应用于清华机械厂x k b 2 1 2 2 a 三坐标数控铣床上，获得了较高的精度 和光洁度1 2 2 j 。 1 3 变量泵的发展概况 一般来讲，液压控制大体可分为节流控制和容积控制两大类。变量泵是容积控 制中不可缺少的组成部分，它由分排量调节、恒压、恒流、复合调节等形式。后三 类属于对输出参数的控制，而排薰调节属于对几何参量的控制，是其它调节形式的 基础。因此，液压变量泵的变量机构本质上是一个位置控制系统瞄1 。 变量泵按操纵力的形式分为：机液控制与电液控制。它的发展大致经历了3 个 阶段。自5 0 年代以来，国内外学者对手动伺服变量泵、恒压控制变量泵、压力补 偿变量泵、恒流量泵、功率匹配变量泵，进行了相应得研究。电液控制方面。早期 的由电液伺服阀控制的电液伺服泵，美国、日本及国内的中国矿业大学对其进行了 研究。8 0 年代，开始了对电液比例先导阀控制的电液比例泵的研究。例如：日本油 研株式会社的电液比例恒压力、恒流、恒排量、复合控制轴向柱塞泵。西德r e x r o t h 公司的a v 4 泵。美国的v i e k e r s 公司的电液比例恒排量、恒流量泵及国内浙江大学 进行了电反馈式的电液比例恒压、恒流、恒功率泵的研究。沈阳工业大学对电液比 例流量压力复合控制轴向柱塞泵进行了研究。 随着数字技术发展，电液控制也进入了数字控制时代。数字控制的突出优点在 于其控制方式及功能恰能克服模拟控制所固有的不足，在编程控制、自动化、高灵 活性方面表现出极强的生命力【博】，电液数字控制变量泵因此产生了。1 9 8 5 年，美国 w i s c o n _ m a d i s o n 大学机械系统流体动力实验室研制出一种基于p w m 的脉 宽调制式液压泵。它是由两个两位两通的电磁换向阀控制变量活塞，通过电磁换向 阀开和关的时间长短来控制泵的流量f 2 4 1 。同时上海交通大学研制了一种“二进制直 沈阳工业大学硕士学位论文 接控制变量泵”。它采用并行控制方式。其变量活塞是一个四级油缸，每一级油缸 用一个二位三通电磁换向阀控制，通过对这四个电磁换向阀的开关控制可实现 2 4 1 级流量的控制。该泵工作稳定，但机构庞大复杂，分辨率也低1 5 】。另外，我国 的长沙机床厂以轴配流径向柱塞泵为基础，用步进电机等组成的数控伺服变量机构 代替由手动调整螺钉等组成的手动伺服变量机构，由电信号直接控制油泵偏心，从 而控制泵的输出流量2 5 1 。1 9 8 7 年，日本高谷技术公司研制了由脉冲马达。r c v 旋 转阀和标准的变量泵组合而成的数字泵，此数字泵的关键元件是r c v 旋转式数字 方向流量控制阀。这种泵扩大了液压技术的自动化程度，为计算机直接控制变量泵 开辟了广阔的前景。1 9 8 9 年，沈阳工业大学的两位老师对增量式数字变量泵和压 力数字变量泵进行了研究。近年来，华东交大机械系将研制的电液数字变量泵应用 于液压熨平机，取得了良好的效果【2 6 1 。重庆大学与重庆液压件厂联合开发出了步进 电机控制的智能型数字泵，并以投入生产( 2 1 。另外，上海科曼电气公司研制了一种 以c y 轴向柱塞泵为基体的数字变量( d c y l e 一6 3 ) ，将它与液压马达组成的液 压调速系统应用于油墨低速搅拌机上，取代电机减速驱动系统，获得了较好的实用 效果口射。山东省煤炭科学研究所与北京华德液压泵厂联合开发了a 7 v 7 8 n c 型斜轴 式数字泵它是将a 7 v 7 8 m a 泵与微机技术有机结合起来而形成的机电一体化泵， 既适应了工业自动化的需要，又给斜轴泵赋予了新的控制功能1 2 9 1 ，该技术已于9 7 年6 月通过鉴定。 数字泵式正在发展中的液压泵，是机电一体化产品。因微机技术的引入而使泵 带有柔性( 3 m 。由于数字泵具有高精度、易控制等优点，因此数字泵的开发和研究具 有广阔的前景。 1 4 电液数字变量泵的组成原理 泵的组成方式有很多，各自有各自的应用特点，使用时也是根据不同的特点来 进行选择，目前来说。主要的有以下几种方式： ( i ) 并行式 这种方式的原理是，基于二进制控制原理，由电磁换向阀和二进制数字油缸组 成数字控制单元，控制各级数字活塞的输出，由数字活塞驱动变量机构，从而改变 泵的流量。因此，我们看出这种并行式的结构的活塞位移量是按二进制规律来设计 沈阳工业大学硕士学位论文 的，因此它的位移量有2 “种数值。虽然它的原理简单，但是它的缺点也很明显： 结构庞大，泵的输出流量是分段变化的。因此，在流量精度要求高的液压系统，还 是不宜采用这种方式诤】。 ( 2 ) 数模转换式 数模转换式3 1 1 式也是应用比较多的一种方式，计算机输出的数字量，经过 d a 转换，变成各种执行机构能识别的模拟量，再经过放大、调节等，也可实现这 种间接的数字控制。应用情况还是比较好，但是这里需要用到d a 或a d 转换。 这样。在这个数字信号和模拟信号的转换过程中，误差就会产生和增大。这种形式 的数字泵的组成原理如图1 2 所示。 图1 2 数模转换式组成原理图 ( 3 ) 高速开关阀 高速开关阀【4 3 0 1 是用高速动作的电磁铁或电致伸缩等电一机械转换器来操纵液 压阀芯，通过控制开关阀的开和关的时间长度可达到控制流量和压力的作用。这种 结构有很多的优点，与计算机接1 ：3 容易，抗污染和重复性好，结构简单等。但是， 同样存在很多的缺点，精度不高，存在死区，寿命也比较短。这种形式的控制原理 的结构图如下： 图1 3 高速开关式数字泵组成原理图 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 步进电机式 步进电机式【2 8 引1 控制方式应用较为广泛，它可以用于开发数字阀、数字泵、数 字缸、数字马达等各种数字液压元件【4 1 。这也是和它的优点分不开的，既可以用于 开环控制，又可以用于闭环控制，与计算机接口方便，不需要d a 转换环节，价格 也比较的便宜，应用比较成熟。但是，它同样有缺点，就是容易产生丢步现象，这 在国产的步进电机中更容易产生丢步。但是，目前可以用程序软件来弥补这一点不 足。所以，对一般系统，快速性要求不太高精度要求高而价格要求便宜，就可以选 择步进电机的控制方式。结合这些特点，本课题就选择了步进电机控制方式。其控 制原理机构图如1 4 所示。 图1 4 步进电机式组成原理图 1 5 课题产品的特点和所做的主要工作 课题参阅了大量的国内外资料，并在前人的工作基础上，设计了由单片机作为 控制器，以步进电机作为执行机构的数字控制变量轴向柱塞泵，它具有以下特点： 1 ) 结构简单、紧凑。精度高，恒排量控制： 2 ) 结合前人的工作，变量机构采用了双边滑阀，这样结构简单，反应迅速： 3 ) 由单片机设计好程序，操作简单，便于维护，能很容易地改变主泵的排量； 此课题的原理、设计等也比较简单： 4 ) 本课题所采用的材料、零件等，在目前的市场上广泛存在，便于购买，价钱 也便宜，便于小工厂和企业的生产和推广应用。 本课题主要工作： 1 ) 数字泵的变量机构的设计； - 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 数字泵控韦n 系统的软件编制； 3 ) 数字泵的建模、仿真、控制策略； 4 ) 数字泵的动、静态分析、误差分析。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 电液数字变量轴向柱塞泵 电液数字交量轴向柱塞泵，即本课题所研究的数字泵。它其实也是个可以控制 其流量的变量泵。液压泵，是一种能量转换装冒，它把驱动电机的机械能转换成输 到系统中去的油液的压力能，供液压系统使用。按其在单位时间内所能输出油液体 积可否调节而分为定量泵和变量泵两类：按其结构形式可以分为齿轮式、叶片式和 柱塞式三大类w 。作为本课题的选用的数字式轴向柱塞泵，是由变量机构和主泵体 构成，变量机构是改变主泵改变流量的主要部分，它是由步进电机和三位三通阀构 成，本系统结构简单，整个系统可以实现数字控制，这对于高压大功率系统的性能 改进和节能都具有重要意义。 2 1 增量式数字泵控制系统 目前，对数字量进行控制的方法有脉宽调制( p w m ) 、脉频调制( p f m ) 、脉数调 制( p n m ) 、脉码调制( p c m ) 和脉幅调制( p a m ) 等，本课题增量式数字泵式用步进 电机作电一机转换器，在脉数调制( p n m ) 信号的基础上，使每个采样周期的步数 在前一个采样周期步数的基础上增加或减少一些步数，从而达到需要的幅值，这种 在原来步数的基础上增加或减少步数以达到控制目的的方法就是增量法。 如图2 1 所示，由单片机发t l ：i 脉冲序列，经过驱动电源放大后，驱动步进电机 旋转一个固定的步距角4 口，由液压阀( 三位三通阀) 把旋转角度4 目转换成阀芯位 移出，从而带动活塞移动位移出。，最后可以按输入的脉冲数和实际走的步数， 可以改变主泵的排量。 脉 图2 1 增量式数字泵原理图 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 数字泵变量机构结构特点和工作原理 2 2 1 数字泵的控制原理 本课题采用的主泵为6 3 c y l 4 - - 1 b 型轴向柱塞泵，额定压力为3 1 5 m p a ，最大 几何排量6 3 m l r ，额定转速1 5 0 0 r p m ，其组成如图2 2 所示，主要有斜盘l 、柱塞2 、 缸体3 、配油盘4 等主要零件组成。斜盘1 和配油盘4 是不动的，传动轴5 带动缸 体3 、柱塞2 一起转动，柱塞2 在其自下而上回转的半周内逐渐向外伸出，使缸体 孔内密封工作腔容积不断增加，产生局部真空，从而将油液经配油盘4 上的配油窗 1 2 1a 吸入：柱塞在其自上而下回转的半周内又逐渐向里推入，使密封工作腔容积不 断减少，将油液从配油盘窗口b 向外压出。缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次， 完成一次吸油和压油动作。改变斜盘倾角6 ，可以改变柱塞往复行程的大小，因而 也就改变了泵的排量。 图2 2 轴向拄孪g 泵 1 斜盘2 一柱塞3 一缸体4 一配油盘5 传动辅 本课题采用了可以精确位置控制的电液伺服油缸式变量机构，其控制原理如图 2 ，3 所示，它相当于一个三通阀控制差动缸的机液位置伺服系统，由单片机发出时 序脉冲，通过放大器把时序脉冲的小电流信号放大，足以驱动步进电机工作，步进 电机发出的角位移作为指令，通过螺纹配合，来操纵阀芯的直线位移，进而控制三 通阀的运动，以实现变量活塞的往复运动，从而促使主泵的斜盘倾角变化，最终改 沈阳工业大学硕士学位论文 变了主泵的排量。 图2 3 数字泵控制原理 2 2 2 变量机构的工作原理 数字变量泵结构原理如图2 4 所示。 卜步进电机 2 一螺纹连接 3 - 上端盖 4 阀芯 5 一变量壳体 6 一活塞 7 一下端盖 a 一压力油腔 b 一回油腔 c 一控制油腔 & - 压力油控制口 b 一回油控制口 图2 4 数字变量泵结构原理 阀芯通过一个精度配合高的螺纹连接和步进电机相连，阀芯的下端部分插入和 活塞端部配合的阀套内滑动配合。在活塞和阀芯上开了四个控制口，其中三个口是 沈阳工业大学硕士学位论文 作为压力油控制口，另一个是回油口和回油腔相连，a 口和压力腔a 相连，压力腔 a 在变量底部和压力油源相连，通过b 口把控制腔和活塞内腔连在一起。在平衡位 置时，阀正好把a 口和b 口遮盖，活塞平衡时，满足公式只彳，= 只4 ，这时主泵 恒排量。 当进行变量调节时，由单片机发出的时序脉冲经过放大后，驱动步进电机的旋 转，然后通过螺旋副把步进电机的旋转变成阀芯的直线位移当阀芯下移时，a 口 打开，这时压力腔a 和控制腔c 相连，压力油经过a j 赃进入控制腔c ，这时虽然a 腔和c 腔的油压一样，但是c 腔的压力油的作用面积比a 腔的作用面积大，因此 活塞6 就下降，就会带动和活塞连接的主泵斜盘摆动，倾角6 加大。主泵的排量也 增大，当达到只4 ，= 只4 时活塞平衡，主泵最终又实现恒定排量，反之，阀芯上 移时，这时控制腔c 通过b 口和回油箱相连，a 口遮盖，这时由于活塞的上下两端 有压力差，活塞就会上移，主泵斜盘的倾角减小，主泵的排量也会减少，直到 尸彳，= 4 时平衡时，活塞停止。显然，阀芯的位置和交量机构的位置( 亦即某 一排量) 相对应。这是一种带直接位置反馈的闭环调节系统。 作为本课题的数字泵还带有自动纠偏功能。当有泄漏等原因时，活塞就会在液 压差动力的作用下移动，比如当控制腔的液压油减少时，活塞在液压差动力的作用 下就会上移。直到达到新的平衡；当活塞发生偏移时，也会在液压差动力的作用下 进行调整，活塞又会在新的位置平衡。总之，它能在非调节时维持泵的排量不变。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 数字变量泵的单片机控制 3 1 概述 电子计算机是2 0 世纪4 0 年代发展起来的新技术之一，它的出现是科学技术产 生了一场深刻的革命。特别是自1 9 7 1 年以来，随着大规模集成电路的发展，又出 现了微型计算机。它对发展现代化的工业、农业、国防和科学技术具有极其巨大的 推动作用3 2 】。作为微型机控制系统的组成，主要分为两大部分，硬件和软件。硬件 是指微型计算机本身及其外围设备：软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用 程序。 1 、硬件 硬件是由主机、接口电路及外部设备组成的。各个系统采用硬件的数量也不相 同，而且，各个系统可以根据需要任意扩展，也为计算机的广泛应用提供条件。 1 ) 主机。它是计算机空着系统的主要部分，通过接口它向外部发出各种命令， 同时它还可以进行巡回检测、数据的处理及计算、报警处理、逻辑判断等功能。 2 ) 接口及输入输出通道。它是主机和被控对象信息交换的桥梁。一般根据功 能及传送数据的方法可分为：( 1 ) 并行接口，如p i o ；( 2 ) 串行接口，如s i o ；( 3 ) 直接数据传送，如d m a ：( 4 ) 实时时钟，如c t c 。 3 ) 通用外部设备。包括显示器、打印机、存储器等，这些设备极大地扩充了 主机的功能。 4 ) 检测设备及操作台。检测设备的主要作用是将被检测参数的非电量变成电 量，而通过操作台人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以 及发出各种操作指令等。 5 ) 执行机构。比如说，步进电机和马达等，常见的执行机构有电动、气动和 液动等形式。 2 、软件 软件是指能完成各功能的计算机程序的总合，如操作、监控、控制、计算和自 诊断等。因此，软件的分类也很多，就语言来分，可分为机器语言、汇编语言和高 级语：就功能来分，可以分为系统软件、应用软件及数据库。系统软件专门用来使 沈阳工业大学硕士学位论文 用和管理计算机本身的程序：应用软件是面向用户本身的程序；数据库及数据库管 理系统主要用于大量的数据管理及资料检索系统。 3 、8 7 5 1 单片机概述 本课题中采用p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 1 单片机作为控制核心，它是t 扫p h i l i p s 高密度 c m o s 工艺制造的高性能单片机。p 8 7 c 5 1 单片机有4 k 字节o t pr o m ，1 2 8 字节 r a m ，4 个8 位i o e l ，三个1 6 位定时计数器，6 个中断源。4 个中断优先级的可嵌套 中断结构，一个串行i o 口用于多处理器通信或全双工u 朋玎，在片振荡时钟电路。另 外，p 8 7 c 5 1 单片机还进行了低功耗静态设计，能在宽范围的操作频率下工作，甚至 0 h z 。减少功耗的模式可通过软件选择空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结c p u ， 而允许r a m 、定时器、串行口和中断系统继续工作。掉电模式可保存r a m 的内容， 但冻结了振荡器，以致所有其它片内功能都被禁止。设计了静态操作模式，在不丢失 用户数据的情况下，时钟可停止工作，也可从时钟停止处恢复执行程序【3 3 1 。 本系统由c p u ，用于功率放大的达林顿复合管和7 4 0 6 驱动器、键盘、显示器、晶 振和变压器等组成。 3 2 步进电机 3 2 1 步进电机的工作原理 步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出 与输入数字脉冲相对应的增量式数字元件。在数控机床、绘图机、打印机等方面应 用广泛。它也可以看作是一种特殊的同步电机：它具有快速起停、精确步进及直接 接收数字量的特点，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受 环境条件如温度、气压、冲击、和振动等影响，仅与脉冲频率有关，这些特点使它 完全适用于数字控制的系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又运行可 靠。 本课题选用了最常见的一种小步距角的三相反应式步进电机其剖面图。如图3 1 所示，电机的定子上有6 个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为6 0 。磁极上装 有控制绕组并联成a ，b ，c 三相。转子上均匀分布4 0 个齿，每个齿的齿距为9 。 定子每段极弧上也有5 个齿，定、转子的齿宽和齿距都相同。每个定子磁极的极距 为6 0 。，所以每个极距所占的齿距数不是整数。当a 极下的定、转子齿对齐时，b 沈阳工业大学硕士学位论文 极和c 极下的齿就分别和转子齿相错三分之一的转子茵距，即为3 。返时若给b 相通电，电机中产生沿b 极轴线方向的磁场，因磁通要按磁阻最小的路静闭合，就 使转予受到反应转距( 磁阻转距) 的作用而转动，直到转子齿和b 极e 的齿对齐为 止。此时，a 极和c 极下的齿又分别与转子齿相错三分之一。的转子齿距。山此可见： 错齿是促使步进电机旋转的根本原因【3 2 1 。 c 圈3 1 步进电机嗣面示意图 若断开b 相控制绕组，而接通c 相控制绕组，这时电机中产生沿c 极轴线方向的 磁场。同理，在反应转距( 磁阻转距) 的作用下，转子安顺时针方向转过3 。，使 定于c 极下的齿与转子齿对齐。以此类推，当控制绕组按a b c a 顺序循环 通电时转子就沿着顺时针方向以每个脉冲转动3 。的规律转动起来。若改变通电顺 序，即按a c b a 顺序循环通电时，转子便按逆时针方向同样以每个脉冲转动 3 。这就是单三拍通电方式。若采用三相单、双六拍通电方式运行，即a a b b b c c c a a 顺序循环通电，步距角将减小一半，即每个脉冲转过1 5 。 3 2 2 步迸电机工作方式的选择 常见的步进电机的工作方式有以下三种： 1 ) 单三拍：a b c a ： 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 双三拍：a b b c c a a b ： 3 ) 六拍：a a b b b c c c a a 。 按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。这三种方 式的主要区别是：电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间 最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一 脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式对，其分辨 率为3 。，六拍的工作方式时，分辨率是1 5 。所以，在本课题中，我们采用三相六 拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，泵的排量分辨率 最高。 3 3 单片机控制步进电机的原理和设计思路 3 3 1 单片机控制步进电机 典型的步进电机控制系统如图3 2 所示。 方向控制 图3 2 步进电机控制系统的组成 变频信号源是一个脉冲频率由几赫到几十千赫可连续变化的信号发生器，它为 脉冲分配器提供脉冲序列【3 l 】。如果采用单片机来作为变频信号源，来控制步进电机， 则可以发出有规律的脉冲信号，经过脉冲放大器后，为步进电机提供了一种可行的 通电方式。为步进电机提供时序脉冲是单片机的主要作用，每当步迸电机从脉冲输 入线上得到一个脉冲，便沿时序脉冲所确定的方向进步。 3 3 2 单片机的控制布局 本课题的单片机控制布局示意图如图3 3 中所示，单片机8 7 5 1 是这个数字泵的 主要核心。因为c p u 的指令脉冲的信号很弱，c p u 的p 1 口接上一个7 4 0 6 驱动器 以便驱动脉冲功率放大级的达林顿管，使步进电机绕组的静态电流达到2 安培。从 沈阳工业大学硕士学位论文 达 林 7 4 0 6 声一 爿输入输出接口 s z s s 顿 驱动 卜 器 管 困圈 8 7 5 1 | 晶振b i 复位启动b 图3 3 单片机控制布局 键盘上输入主要的参数，例如，数字泵的运行步数和旋转的方向，通过程序运算， 这些都从显示器上显示出来，输入输出接口8 2 5 5 把8 7 5 1 和键盘、显示器连接起来， c p u 的指令脉冲再通过7 4 0 6 驱动器、达林顿管放大，到达步迸电机的绕组上。 我们可以把8 7 5 l 的p i 0 、p i 1 和p 1 2 分别接到三相步进电机的a 、b 、c 三 个绕组。基于步进电机的三种通电方式，权衡优缺点，我们可采用三相六拍的通电 方式，它的控制模型为表3 1 所示。如表3 1 所示，可以把步进电机的6 个节拍放 在寄存器中，例如，我们可以用寄存器中2 0 h 2 5 h 放置步进电机的正转模型0 1 h 、 0 3 h 、0 2 h 、0 6 h 、0 4 h 、0 5 h 。在2 6 h 中放置结柬标志0 0 h 。在2 7 h 开始放置反转 表3 1 步进电机的控制模型 模型0 5 h 、0 4 h 、0 6 h 、0 2 h 、0 3 h 、0 1 h ，在2 d h 单元存放结束标志0 0 h 。我们可 以把步进电机的转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位p s w 的f 0 ( d 5 h ) 中， 当f 0 为0 时，步进电机正转，当f o 为“1 ”时，步进电机反转。 沈阳工业大学硕上学位论文 3 4 单片机控制步进电机的程序的编制 步进电机控制程序设计的主要问题有三个： 第一，控制脉冲的产生； 第二，步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系； 第三，步数的确定。 作为单片机控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以从这 三个问题入手： l 、控制脉冲的产生 在单片机控制步进电机时，一般来讲，控制脉冲是用软件产生的。方法是先输 出个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电 机的工作频率决定。时序脉冲产生的延时控制框图如图3 4 所示。 图3 4 时序脉冲产生的延时控制框图 2 、步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系 沈阳工业大学硕士学位论文 步进电机旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。现在常用的通电方 式主要有三种： i ) 三相单三拍：a b c a ； 2 ) 三相双三拍：a b b c c a a b ； 3 ) 三相六拍：a a b b b c c c a a 。 按以上顺序通电，步进电机正传，按相反方向通电，步进电机反转。 因此，产生时序脉冲的方法是： ( 1 ) 利用单片机8 7 5 1 的p 1 端口，即用p 1 o 、p 1 1 、p 1 2 分别控制三相步进 电机的a 、b 、c 三相绕组； ( 2 ) 根据控制模式写出控制模型； ( 3 ) 按控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。 控制模型如表3 1 所示，从通电方式的二进制数可以看出，步进电机每步进 步，高电平就左移或右移一位。所以，我们可以考虑借助累加器a 来实现步进电机 的通电，可以把一个时序字节放在累加器a 中，在每个采样时刻累加器a 左移或 右移一位，经输出z i 输出。为了弥补8 位的不足，可以考虑加入进位标志位c y ， 这样就可以把它看成是第9 位，这样就能实现所需要的通电方式。下面以三相单三 拍和三相双三拍为例来研究累加器中时序字节的转移。 三相单三拍通电方式，可以考虑在累加器a 中放置时序控制字节4 9 h 。示意图 如图3 5 所示。 指令：r l c a指令：r r c a 图3 5 三相单三拍通电方式示意图 - 1 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 三相双三拍通电方式，可以考虑在累加器a 中放置时序控制字节b b h 。示意 图如图3 6 所示。 指令：r l c a指令：r r c a 图3 6 三相双三拍通电方式示意图 3 、步数的确定 步进电机运行的步数可由步距角和需要转过的角度来计算： 幺= 器 ( 3 1 ) 式中： 以一步距角； z 一转子齿数； v 一拍数( 一般三拍时n 。m 或六拍时n = 2 m ) ： m 控制绕组相数，m = 3 。 例如：乙= 4 0 三相六拍运行，n = m = 3 ，则步距角为：皖= 3 6 0 。( 4 0 x 3 ) = 3 。 z ，= 4 0 ，三相六拍运行，n = 2 x m = 6 ，则步距角为：幺= 3 6 0 。( 4 0 x 6 ) = 1 , 5 若要求步进电机转过的角度为7 5 。，采用三相六拍运行方式，那么步数就为： 巧。j r = 5 d ( 步) 。在程序设计时，将5 0 步化为二迸制为3 2 h ，用3 2 h 作为步数控 制量就可以了。 做完了以上的工作，就可以进行步进电机控制程序的设计了。可以把步进电机 所要走的步数放在寄存器r 4 中，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位p s w 的f 0 ( 地址d 5 h ) 中，当f 0 的值为“0 ”，步进电机正转：当f 0 的值为“l ”时， 沈阳工业太学硕士学位论文 步进电机反转，假如步进电机的正转模型为0 1 h ，0 3 h ，0 2 h ，0 6 h ，0 4 h ，0 5 h 存 放在8 7 5 1 片内数据存储器2 0 h 2 5 h 中，2 6 h 中存放结束标志0 0 h 。在2 7 h 开始 存储区内存放反转控制模型0 1 h ，0 5 h ，0 4 h ，0 6 h ，0