（机械设计及理论专业论文）推土机铲刀升降自动控制系统研究.pdf

摘要 传统机械式推土机的铲刀升降，由人手动操作进行，在作业过程中对推土机 外负荷的变化完全凭人的感觉( 视觉和听觉) 预测，因而不可避免的存在较大的 迟缓性和不确定性，导致推土机的作业效率较低，作业质量较差，操作人员的劳 动强度大等缺陷。 本文研究目的就是为了解决这一难题。文中综合分析、研究了目前国内外在 推土机自动控制方面的发展趋势，建立了铲刀自动控制的模型，设计了铲刀自动 控制系统。阐述了系统各组成都分( 传感器、信号处理系统、控制器、执行器) 的详细结构和设计方法。设计了控制器外围电路( 时序电路、复位电路、电压电 源电路) 和有源滤波器外围电路考虑到干扰的存在，设计出看门狗电路来实现 抗干扰。研究了推土机铲刀液压系统，在原有液压系统的基础上，并接了铲刀自 动控制液压系统，最终实现了推土机的铲刀在复杂工况下自我调节最后，进行 了信号采集模拟与程序的调试，并提出了进一步的改进方案和措施。 关键词：推土机铲刀升降传感器液压系统 a b s t r a c t t h ew a d i t i o n a lm e c h a n i c a lt y p er o l l e rs h o v e lf l u c t u a t i o n ，c m t i e $ 0 1 1b yt h eh u m a n m a n u a lo p e r a t i o n , t h ec h a n g ew h i c hs h o u l d e r st ot h er o l l e ro u t s i d ed e p e n d so n h u n m sf e e l i n gc o m p l e t e l yi nt h ew o r kp r o c e s s ( v i s i o na n d 鲫髓o f h e a r i n g ) f o r e c a s t , t h u si n e v i t a b l ee x i s t e n c eb i gs l o w n e s sa n dd e t e r m i n i s m ，d o e sn o tc a u s et h er o l l e rt h e w o r ke t i m e n c yl o w l y , t h ew o r kq u a l i t ym i s s e s , o p e r a t o r sl a b o ri n t e n s i t yi sb i ga n dg o o n t h e f l a w 佻sp a p e rs t u d i e st h eg o a li sf o rs o l v er i d sd i f f i c u l tp r o b l e m 1 1 砖g e n e r a l i z e d a n a l y s i sa n ds t u d i e d 砒p r e s e n td o m e s t i ca n df o r e i g ni nt h er o l l e ra u t o m a t i cc o n t r o l a s p e c td e v e l o p m e n tt e n d e n c y , h a se s t a b l i s h e dt h es h o v e la u t o m a t i cc o n t r o lm o d e la n d d e s i g n e dt h es h o v e la u t o m a t i cc o n 缸 o ls y s t e m e l a b o r a t e dt h es y s t e me a c hc o n s t i t u e n t ( s e n s o r , s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m , c o n t r o l l e r , e x e c u t i o n ) d e t a i l e ds t r u c t u r ea n dd e s i g n m e t h o d c o n s i d e r e dt ot h ed i s t u r b a n c ee x i s t e n c e ，d e s i g n st h ew a t c h - d u ge l e c t r i c c i r c u i tt or e a l i z et h ea n t i j a m m h a ss t u d i e dr o l l e rs h o v e lh y d r a u l i cs y s t e m , i nt h e o r i g i n a lh y d r a u l i cs y s t e mf o u n d a t i o n , h a sc o n n e c t e di np a r a l l e lf a s h i o nt h es h o v e l a u t o m a t i cc o n t r o lh y d r a u l i cs y s t e m , f i n a l l yr e a l i z e dt h eb u l l d o z e rs h o v e lt oa d j u s tt o t h ec o m p l e xo p e r a t i n gm o d e f i n a l l y , h a sc a r r i e do nt h es i g n a lg a t h e r i n gs i m u l a t i o n a n dt h ep r o c e d u r ed e b u g g i n g , i na d d i t i o n , t h ei m p r o v e dm e t h o d sa r cg i v e n k e y w o r d s ：r o l l e r , s h o v e lf l u c t u a t i o n , s e n s o r , h y d r a u l i cs y s t e m 2 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：钥毋 础月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 嘲鹤 罗穿够衍 瑚6 年4 窍憾b a 一厶年月知日 第一章绪论 1 1 课题背景 一、国内推土机技术现状和发展趋势 推土机行业发展于2 0 世纪7 0 一8 0 年代。以引进小松、卡特和利勃海尔技术 为主，经过近2 0 年的消化吸收，目前形成了以2 0 世纪8 0 年代末小松技术产品 为主导的格局，从5 9 k w ( 8 0 马力) 到2 3 5 k w ( 3 2 0 马力) 规格齐全的产品系 列。但我国推土机技术仍处于较低水平，在运用集成电路技术、微电子技术、传 感技术、信息技术和自动控制技术，实现节能化和智能化，我国仍处于起步阶段。 目前国内主要有徐州工程机械集团有限公司、三一重工股份有限公司、天津工程 机械研究院、长安大学工程机械学院在从事这方面研发工作，已经完成了道路施 工机械中的装载机、材料拌和站、自卸车、摊铺机和压路机等单机的智能化改造， 初步掌握机群智能化工程机械系统的设计和制造技术，但是在智能推土机研究方 面，国内还只是在涉及推土机某些局部装置，如三一重工的t q 2 3 0 全液压推土 机。推土机单机集成化操作与智能控制技术：智能监控、检测、预报、远程故障 诊断与维护技术；基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等方面：c a n 总 线技术；自动找平技术；行走控制技术；g p s g i s 、l e d 液晶显示器和计算机控 制的发动机管理技术已成为智能化推土机的发展方向。i l l l 2 1 1 3 1 二、推土机国外发展研究情况 近年来，国外推土机产品以电子信息技术为先导，在计算机故障诊断与监控、 精确定位与作业、发动机电子控制和人机工程学等方面，进行了大量的研究应用， 主要表现在以下几方面： l 、g p s 在推土机的应用 2 、计算机故障诊断系统 3 、关键信息显示管理系统 4 、柴油发动机控制管理系统 5 、自动换档控制系统 6 、人机工程学的普遍应用 7 、c a n 总线技术和c a n o p e n 协议在推土机上的应用 8 、推土机工作装置自动控制技术 除了前面提及的利用g p s ( 全球定位系统) 、g i s 和g s m 技术开发的基于g p s 的推土机定位系统外，国外某些推土机也采用无线电遥按，激光、电子技术、传 感技术、微机控制等先进技术，使推土机的工作装置实现了自动控制，如日本新 卡特彼勒三菱公司的推土机作业激光自动调平装置。1 4 | 1 5 1 随着科技的进步，微电子技术和计算机基础技术也取得了飞速的发展。单片 机在工业自动化，智能化仪器仪表中的应用越来越广泛。在大型的检测和自动控 制系统中单片机系统作为前沿控制正在发挥着越来越大的作用。我国拥有推土机 的量非常大，绝大多数推土机的铲刀升降控制均为手动液压控制，这种控制方式 存在作业过程中，推土机外负荷的变化完全靠人的感觉( 视觉和听觉) 而预测， 因而不可避免的存在较大的迟缓性和不确定性，导致推土机的作业效率低，作业 质量较差，操作人员的劳动强度大等缺陷。对这种传统的推土机进行技术改造， 用单片机系统取代原来以强电和电器为主的电器控制设备，实现强电弱电结合， 功能完善的铲刀升降自动控制系统，很有必要。l i 翔 1 2 本文要解决的问题 本论文开发的推土机铲刀自动升降系统是针对机械式传动的推土机( 后面谈 到的推土机即机械式传动的推土机) 所进行的二次开发。发动机的匹配一般遵循 下列原则： l 、由发动机最大扭矩决定的最大有效牵引力p m a x 应大于由地面附着条件决 定的最大有效牵引力p ，即 p m c p 2 、由发动机额定功率决定的有效牵引力p n h 应等于由行走机构额定滑转率决 定的有效牵引力p h ，即 p n t u r = p _ h 从理论上讲，由于这种设计方案既充分发挥了机器的功率，又能保证发动机 不熄火，使机器能持续正常工作因而在没有载荷控制系统的条件下，这种设计 2 方法无疑是正确的。1 8 1 i i 由于，机器的实际工况是千变万化的，而这种设计方法在实际设计过程中只 能选种典型工况进行。当机器实际作业工况与设计工况发生偏离时，推土机将 不能充分发挥其作业能力，主要有以下几种情况： l 、当推土机工作场地的附着性能高于设计工况的附着性能时，如果机器的 外部工作阻力p x 大于由发动机额定功率决定的有效牵引力p n ，则发动机转速将 会显著降低，引起功率下降、油耗上升、生产率降低。尤其是当机器使用到接近 大修期限时，由于发动机的性能变差，这种现象将更加明显。 2 、当推土机作业场地的附着性能低于设计工况的附着性能时，如果机器的 外部工作阻力p x 大于由行走机构额定滑转率决定的牵引力p h 时，机器的滑转率 将会急剧上升甚至全滑转，此时机器的作业速度大为减小，生产率大大降低。这 种情况在机器实际作业过程中频繁出现，除了由于设计中p ，。p 。这一原因外， 还有以下两个原因：一是机器在作业过程中由于地面的不平整及履带接地比压的 不均匀性导致机器附着性能交差；另一个原因是机器要受到一个垂直向上的切土 分力，铲土过程中，这一分力使推土机实际附着重量减少，附着性能变差，滑转 率增大。 3 、在目前使用的推土机上，为了充分发挥机器的生产能力，操作人员经常 根据发动机转速和滑转情况来升降铲刀，以改变机器的工作状况，提高生产率。 但这种凭司机的感觉柬调节机器工作状态方法不仅加大了司机的劳动强度，而且 有很大的随意性，因为人的直觉不可能精确感知发动机转速和机器滑转率，而且 即使经验十分丰富的操作人员，也有一个反应过程。 传统推土机作业过程中，急剧变化的外部阻力常常会使发动机转速下降或者 使机器滑转率上升，进而导致整机工作状况恶化。本论文提出一种推土机极限速 度自动控制系统，该系统可以根据机器的工作状态自动调整铲刀的切削深度。在 保留推土机原机械总成( 柴油机、底盘、推土装置、操纵机构) 不变或几乎不变 的基础上，增加电子、电气和液压元件，使推土机根据工况获得自动控制推土负 荷的功能，实现推土作业铲刀升、降自动化。减轻推土机手的劳动强度。 本文旨在对传统机械式推土机铲刀升降系统的自动控制，研究内容主要以下 几点： 3 l 、分析和整理国内外推土机自动控制的现状和发展趋势，提出问题。 2 ，结合传统机械式推土机自身特点，提出具体的控制模式和控制方案，选 择合适的转速测量算法 3 、提出具体的控制铲刀升降的设计思路，完成控制器的硬件设计和执行器 的硬件设计，设计了带通有源滤波电路和抗干扰电路。 4 、软件设计。 s 、信号采集的模拟与程序的调试。 6 、在总结本课题研究结果的基础上，提出了进一步完善的设想。 第二章推土机铲刀自动升降控制方案 推土机属土方工程机械，能独立完成多种土方工稃。然而，由于传统的机械 式推土机操作繁琐、生产效宰低等缺点使其不能很好的满足生产作业的要求。尤 其是用手控制铲刀的升降，由于此种操作完全凭人的感觉( 视觉和听觉) 进行， 因而不可避免的存在较大的迟缓性和不确定性，容易造成以下问题： l 、生产效率低； 2 、推平作业质量差： 3 ，操作强度大o o l l l l l 目前，用先进的自动控制技术改造传统的机械，使之自动化，已成为世界各 国竞相开发的热点。本论文在吸取国内外先进技术上，在导师的指导下，提出以 下几个方案。 一、以力作为控制信号 推土机在推土作业中，推土机会受到作业阻力的作用，这样我们就可以通过 测量推土机受到的阻力这一途径来实现推土机的智能控制。 推土机在作业时受到的阻力相当复杂，有切削阻力、推土板前土堆运移阻力、 铲刀切削刃与地面摩擦阻力、土屑沿推土板面上升阻力、土屑沿推土板面侧移阻 力、作业阻力中行走阻力、坡道阻力、惯性阻力等，所以压电传感器安放位置的 选取就显得尤为重要，如果位置选择的不合适，测得力就不能用作检测信号，更 谈不上实现铲刀自动控制。传感器的选择和加工有一定的困难，因为要在推土机 上加载压力传感器，就要根据推土机具体的位置来确定传感器的形状和大小。1 1 2 1 压电传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而 变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。这样就意味着此类传感器 产生的电荷很小，而且是模拟量，因此需要对其进行放大和模数转换 由压电传感器所测得的信号经过信号的采样、保持、放大、除噪、滤波、模 数( d a ) 转换等一系列的信号处理之后，最终送入计算机计算机随即进行数 据处理，将得到的数据与预设值进行比较，在经过数模( a d ) 转换来控制推土 机的铲刀升降。 推土机自动控制系统的工作过程是：当切土深度发生变化时，推土机受到的 5 阻力也随之发生变化，阻力变化的信号通过压电传感器传给单片机组成的控制 器；控制器控制电液阀，操纵铲刀升降工作中，根据推土机最佳工况确定其工 作阻力上。下限值，当受到的阻力大于上限值时控制铲刀下降。反之，铲刀上升。 受到的阻力在上、下限之间时，铲刀不动，保持一定的切土深度。 二、以速度作为控制信号 推土机在作业中铲刀受到的推土阻力与铲刀切土深度成正比。切土深，阻力 大，但直接测量铲刀切土深度和推土阻力比较复杂一定的工况下，发动机输出 功率一定时，铲刀切土深度增加，转速下降；反之，铲刀切土浅，。转速下降因 此，本课题选用发动机转速作为控制铲刀切士深度的控制信号来控制铲刀升降。 而且转速信号具有易测量的优点。实际工作中转速测量可用霍尔转速传感器采用 计算形式测量，简单，方便、快捷、实用。 我在论文中采用的是以转速信号作为检测信号的控制方案控制原理如图 2 1 所示： 一廿 f l* 1 一：+ 。：9 一“落：j 9 墙 p， ， j 霍尔转 信号处vj控制系4 ； 速传感 冷理系统 统 ， 。一；0 。；： v ，器 一目 r 液压袈统，； ， j， 由控制系统图可以看出，转速信号的测量是实现推土机铲刀自动控制的第一 步。目前转速的测量有好几种算法 ； 在工程实践中，我们经常会遇到各种需要测量转速的场合。精确地检测转速 是提高控制精度的关键。过去常用测速机、脉冲发生器和模拟变换器等测速方法， 由于线性度和温度影响，难以达到高精度要求。采用单片机控制转速测量，提高 6 了测量精度，扩大了测量范围，附以必要的外围电路，可完成转速的控制任务。 三、计数法： 计数法是在设定的定时时间t 内读取盘脉冲数，由旦计算出转速。对于相 同的t ，盘脉冲数的多少反映了转速的高低。将单片机的t 1 设为计数方式，盘 脉冲信号由计数器计数，定时器每隔一段时问t 向c p u 申请一次中断，c p u 响 应中断后，从计数器读出计数值并将计数器清零，根据计数值的大小即可求出相 应的转速。对单片机而言，定时时闻t 是非常精确的但由于时问t 采样的起始 点与终点与盘信号位置有一定的随机性，不一定正好对应于整数个盘脉冲，因而 会造成不足一个盘脉冲的多计或少计。误差主要来自于该1 个盘脉冲，当t 较 小，尤其是作瞬时转速测量时，这土1 个盘脉冲会带来较大的误差。例如，当盘 脉冲为6 0 个脉冲，转、主轴转速为1 00 0 l _ m i n 、a t = l o m s ，由于1 个脉冲带来的 髓误舭( 燃州) = 击即l o o r r a i n 四、计时法： 计时法是通过对时钟脉冲9 计数测出相邻两个盘信号的时问问隔。这种方法 转速测量误差主要来自于1 个时钟脉冲，是非常小的。主要适用于瞬时转速的 测量。b 3 1 五、结论： 由于推土机在作业中需要实时对其铲刀进行自动化控制，需要对转速瞬时测 量，所以论文中采用计时法。 7 第三章推土机铲刀自动升降控制系统组成 3 i 推土机铲刀自动升降控制方案的设计思路 论文利用单片机提供的中断功能，实现了软测速，替代了发动机转速控制器 中专用的测速装置，提高了整个闭环控制系统的可靠性和精确度，大大降低了控 制器的生产成本测速原理如下：利用单片机的一个外部中断i n t o 来检测发动机 转动平面中某点位置，每次检测到该点时产生一个i n t o 中断源，用i n t o 中断处理 程序完成检测发动机转动一周所需机器局期数，并计算出发动机的转速当某次 检测到该点时，在i n t o 中断处理程序中启动单片机的定时器c t o 开始计时；当下 一次检测至口该点时，中断处理程序终止计时，并计算发动机转速定时器寄存器 t h o ，t l o 中正好存放着发动机转动一周定时器产生的脉冲个数。由于计数输人信 号是内部时钟脉冲，每个机器周勰使寄存器的值增l ，每个机器周期等于1 2 个振 荡器周期，故计数速率为振荡频率的1 1 2 ，当采用1 2 m l l z 晶体时，计数速率为 l 删z 把lxl 矿转换成1 6 进制数后作被除数，定时器1 6 位寄存器组成4 位1 6 进制 数作除数，商即为发动机转速。 首先置定时器计数器工作方式控制字t m o d 为0 1 h ，r p g a t e - - - - o ，c t = o ， m i m o = o i ，设定为1 6 位定时工作状态由振荡器输出脉冲，经1 2 分频产生定时脉 冲送计数器计数。定时器的启停位由标志位t r o 决定可将磁信号转换成电信 号后作为中断源，论文中采用磁电转换方式在发动机轴上安装一个圆形薄片， 其上开一窄的条作被检测点，使其随发动机转动，从而每当窄条切割磁力线时， 便霍尔传感器产生一个脉冲信号。进而通过连接p 3 2 端并产生一个i n t o 中断信 号，i n t o 中断处理程序人口地址为l 0 0 p l 。它要完成两种不同的处理功能，因此 需设定一个标志位，本文取f 0 为标志位。中断处理程序的第一条指令就是把标志 位取反，然后根据标志位的值为0 还是l 来进行相应的处理。f o 初始化值设定为1 ， 第一次运行中断处理程序时，f o 取反，值为0 。相应的操作为：把c t o 寄存器清0 ， 置t r o 为l ，开始计数当发动机运行一周，下一个中断产生并运行中断处理程序 以后，f 0 取反，值为l 。相应的操作为：把t r o 置为o ，停止计数，保留寄存器t h o 、 t l o 的值作为除数，把l s 产生的机器周期数1x1 0 6 转换成1 6 进制数o f 4 2 4 0 h 作为被 s 除数，调用除法程序计算出发动机转速，并把1 6 进制数转换成1 0 进制输送到数码 管显示。同时得出的发动机转速再和门槛转速( 根据推土机最佳工况确定其工作 转速上、下限值) 进行比较，当切土深度发生变化时，发动机的转速也随之发生 变化，转速变化的信号通过霍尔传感器传给雎片机组成的控制器；控制器控制电 液阀，操纵铲刀升降。当转速大于上限值时控制铲刀下降，反之铲刀上升。转速 在上、下限之间时，铲刀不动，保持一定的切土深度。这样就可以解决推土机的 操纵比较复杂，操作杆件多、铲刀操纵杆动作频繁且不易控制的缺限。改变通过 观察铲刀两边的吃土深度情况和倾听发动机的声音来控制铲刀升降，作业效率和 质量不易提高，操作者容易疲劳的现状，从而提高推土机作业效率和推土质量， 减轻操作人员的劳动强度，实现推土机铲刀自动控制。 推土机铲刀升降控制系统的组成原理图是由信号采集、信号处理、控制器、 执行器四部分组成的。如图3 1 所示： 信号采信号处 令 控制器 卜 执行器 集 叫 理 - 1 圈 l 系统磋件组成象理田 3 2 信号采集 3 2 1 传感器概述 ， 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号 的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。 这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器 9 件使用着不同的技术术语而已如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元 件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技 术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器这些提法在含义上有些狭窄，丽 传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。 传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量 有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确 定 通常传感器由敏感元件和转换元件组成其中，敏感元件是指传感器中能直 接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被 测量转换成适于传输或测量的电信号部分由于传感器的输出信号一般都很微 弱，眦需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等随着半导体器 件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感 器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理转换电路以及 传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作 为传感器组成的一部分传感器组成框图如图3 2 所示 图3 - 2 传感器组成框图 传感器技术是一门知识密集型技术，它与许多学科有关传感器的原理各种 各样，其种类十分繁多，分类方法也很多，但目前一般采用两种分类方法：一是 按被测参数分类，如温度、压力、位移、速度等；二是按传感器的工作原理分类， 如应变式、电容式、压电式、磁电式等。本论文是按后一种分类方法来介绍各 种传感器的，而传感器的工程应用则是根据工程参数进行叙述的对于初学者和 应用传感器的工程技术人来说，应先从工作原理出发，了解各种各样传感器，而 对工程上的被测参数应着重于如何合理选择和使用传感器 3 2 2 霍尔传感器 l o 转速是发动机的重要参数之一，转速信号的采集和处理是本论文的一项重要 工作。以发动机转速信号为核心的数据采集分析测试系统，主要是使用单片机采 集转速数据并将其在功能更为强大的p c 机上进行测试分析，以方便研究发动机 的工作状态和转速之l - h 】的内在关系最终来控制电磁阀提升推j 一机的铲刀。 目前发动机转速信号的采集，按传感器类型主要分电磁感应式、霍尔效应式 和光电式3 种。其中霍尔效应转速传感器是利用霍尔效应原理制成的。其输出的 信号是矩形脉冲信号，很适合于数字控制系统，而且输出电压信号稳定。只要存 在磁场，霍尔元件总是产生相同的电压，其大小与转速无关，即使是在发动机起 动的低转速状态下，仍能够获得较高的检测精度。与光电传感器相比，霍尔器件 受灰尘的干扰要小得多，但是霍尔器件是温度效应器件，所以传感器必须在内部 作温度补偿。本论文中用m c s 一5 1 单片机开发的智能控制系统中的转速传感器就 是采用的霍尔效应式转速传感器。 一、霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形 半导体单晶薄片，引出四个弓l 线两根引线加激励 电压或电流，称为激励电极；另外两根引线为霍尔 输出引线，称为霍尔电极霍尔元件壳体由非导磁 金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元 件可用符号表示，如图3 3 所示 二、霍尔元件基本特性 图3 - 3 霍尔元件图形符号 1 、额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升l o 时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允 许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励 电流增加而线性增加，所以，使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知 道元件的最大允许激励电流，改善霍尔元件的散热条件，可以便激励电流增加 2 、输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于 一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境 温度在2 0 5 时确定的。 3 、不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为i 时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍 尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。产生 这一现象的原因有： 、霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； 、半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； 、激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等 、 不等位电势也可用不等位电阻表示 f o ：当 ( 3 一1 ) ， 式中：u o _ 一不等位电势； 珩环等位电阻； l l r 激励电流 由上( 3 一1 ) 式可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r o 所产 生的电压。 4 、寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电 势外，还有一直流电势，称寄生直流电势其产生的原因有： 、激励电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果； 、两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同形 成极向温差电势。 寄生直流电势一般在l m v 以下，它是影响霍尔片温漂的 原因之一 ， 5 、霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励 电流下，温度每变化l 时，霍 尔电势变化的百分率称霍尔电 势温度系数。它同时也是霍尔 4 3 1 一输入轴；2 一转速盘；3 一磁钢；4 一霍尔传感器 图3 4 霍尔式转速传感器的结构 系数的温度系数。0 4 1 3 2 3 传感器的选用 转速传感器的类型很多，因霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无 火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、构造简单、坚固、体积小、耐 冲击等优点，所以选用霍尔效应接近式传感器作为柴油发动机转速传感器。该传 感器是开关元件，直接输出为脉冲频率信号，但是由于存在电磁噪声干扰，必须 对信号进行滤波和整形，提高采集准确度和抗干扰能力。处理后的信号转换成标 准的方波信号，通过单片机的输入捕捉功能可以精确得到其脉冲产生时间，为控 制单元运算和控制提供了转速和上止点基准信号。但如何模拟发动机转速信号来 对发动机电控单元进行开发却是实际应用中面临的重要问题，为此开发了一种霍 尔转速传感器检测装置来模拟发动机转速信号。霍尔式转速传感器( 如图3 4 所 示) 是利用霍尔效应原理工作的：一个金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直 于薄片，当薄片通以电流尉时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压 u 。如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电 压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号，很适合于数字控 制系统，抗干扰能力强。传感器输出电压信号稳定，只要存在磁场，霍尔元件总 是产生相同的电压，并且输出信号电压的大小与转速无关，即使是在发动机起动 的低转速状态下，仍能够获得较高的检测准确度。1 1 5 i i t 6 j 1 1 7 1 本论文中所选的霍尔传感器的型号是 h 0 8 - n a ( k h o - 0 3 d a ) ，接近距离为8 m m ，- t 作 电源电压为4 2 4v d c ，负载电流为2 0 m a ， 工作频率为5k h z 。输出类型为n p n ，外型尺 寸为m 8x1 6 r a m 如图3 5 所示； 3 2 4 传感器的安装 图3 - 5h 0 9 - n - a 型霍尔传感器 此检测装置可完全模拟发动机上传感器的安装位置铝块、磁钢和传感器提 前装在一起，装好之后再一起固定在固定支架上磁钢铆紧在铝块上，为了保证 在铝块上不松动，可在磁钢上涂抹一些密封胶。传感器通过两个螺母拧紧在铝块 上铝块则通过两个螺钉固定在固定支架上，并保证传感器的接近距离为8 m m ， 如图3 - 6 所示： 1 3 图3 - 6 传黪器的安装 3 3 信号处理 霍尔传感器由于自身的原因要对其进行不等位电势补偿和温度补偿不等位 补偿可采用电桥来进行补偿，温度补偿可采用温度系数小的材料或恒温措施，采 用恒流源供电也是个有效的措施。 经传感器转换和放大器放大的电信号，由于测试环境的电磁干扰、传感器和 放大器自身的影响，往往会含有多种频率成分的噪音信号严重时，这种噪音信 号会淹没待提取的输入信号，造成测试系统无法获取被测信号。在这种情况下， 就需要采取滤波措施，抑制不需要的杂散信号，使系统的信噪比增加，在此选用 了有源滤波器中的带通滤波器。嗍 3 3 1 有源滤波器设计 一、有源滤波器概述 滤波器是一种能使有用信号顺利通过而对无用频率信号进行抑制( 或衰减) 的电子装置。工程上常用它来做信号处理、数据传送和抑制干扰等以往主要采 用无源元件r 、l 和c 组成模拟滤波器，六十年代以来，集成运放获得了迅速地 发展，由它和r 、c 组成的有源滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点 此外，因为集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，而输出阻抗又很低，所 以，由其构成的有源滤波器还具有一定的电压放大和缓冲作用。因此，基于放大 器和r 、c 构成的有源滤波器应用日益广泛。随着微电子学的发展，人们已经可 以把一些电阻和电容与运放集成在一块芯片上构成通用有源滤波器( u n i v e r s a l 1 4 a c t i v ef i l t e r ，u a f ) 。这种芯片集成度高，片内集成了设计滤波器所需的电阻和 电容，在应用中只需极少数外部器件就可以很方便地构成一个有源滤波器。有源 滤波器按其频率特性可分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等几种形式。 低通滤波器是低频信号能通过，而高频信号不能通过的滤波器；高通滤波器是高 频信号能通过而低频信号不能通过的滤波器：带通滤波器是在某一频率范围内的 信号能通过而其余频率的信号均不能通过的滤波器。1 1 9 1 i z 0 11 2 1 1 二、u a f 4 2 基本结构及特点 b bf b u r r b r o w n ) 公司的u a f 4 2 就是这一类通用有源滤波器的代表。它可广 泛应用于高通、低通和带通滤波器设计中。它采用典型的状态可调( s t a t e v a r i a b l e ) 模拟结构，内部集成了一个反向放大器和两个积分器。该积分器包括1 0 0 0 l if ( 5 ) 的电容。因此较好地解决了有源滤波器设计中获得低损耗( 1 0 w l o s s ) 电 容的问题 1 、u a f 4 2 的引脚功能和内部结构 u a f 4 2 的引脚排列如图3 7 所示。 。 l d v 一 0 i t , i y 3 0 a i j y 口p ， l ；。一i ，y 日p b a n d - 11 4 己1 3 31 2 4 1 1 5 1 0 69 78 al1 1 图3 - 7u a f 4 2 ；l 脚图 各引脚功能简要说明如下： 1 ) l o w - - p a s s v o ( 1 脚) ：低通输出端。 2 ) v i n 3 ( 2 脚) ：输入引脚3 ，经过内部一个电阻后连接u a f 内部运放的非 反向输出端。 3 ) v i n 2 ( 3 脚) ：输入引脚2 ，与u a f 4 2 内部运放的非反向输入端相连。 4 ) a u x i l i a r yo pa m p + i n ( 4 脚) ：辅助运放非反向输入端。 5 ) a u x i l i a r y o p a m p - i n ( 5 脚) ：辅助运放反向输入端。 6 ) a u x i l i a r yo pa m pv o ( 6 脚) ：辅助运放输出端。 7 ) b a n d - p a s sv o ( 7 脚) ；带通输出， 8 ) f r e q u e n e ya d j l ( 8 脚) ：频率调节引脚1 9 ) v ( 9 脚) ：负电源电压。 1 0 ) v + ( 1 0 脚) ；正电源电压 1 1 ) g r o u n d ( 1 l 脚) ：接地。 1 2 ) v i n l ( 1 2 脚) ；输入引脚1 ，接u a f 4 2 内部运放的反向输入端 1 3 ) h i 曲一p a s sv o ( 1 3 脚) ：高通输出端。 1 4 ) f r e q u e n c ya d j 2 ( 1 4 脚) ：频率调节引脚2 二、u a f 4 2 具有以下特点； 1 ) 通用性强，可根据需要设计成高通、低通、带通和带阻滤波器； 2 ) 设计简单。b b 公司还为u a f 4 2 专门设计了一个软件，从而可以方便灵活 地设计各种不同类型的滤波器； 3 ) 具有高精度频率和高q 值； 4 ) 片内集成有l o o o p f 5 的电容。 从u a f 4 2 的引脚、内部结构、特点来看，利用u a f 4 2 进行有源滤波器的设 计是十分方便的同时，b b 公司为方便基于u a f 4 2 的有源滤波器的设计还提供 了不少可供参考资料，这些参考资料给出了具体的滤波器参数计算公式，设计人 员可以根据工程需要进行有源滤波器的设计。1 2 2 1 3 3 2 有源滤波器外围电路设计 一、方案设计 本论文利用u a f 4 2 设计一个的带通滤波器，在该电路中，u a f 4 2 的高通输出 和低通输出分别接辅助运放的非反向输出端。如图3 8 电路的各参数的计算公式 如下； 吼。雨丽r 2 ( 3 2 ) 吼。币丽 u 1 l + r 4 ( r a + r e ) ， 9 = 苦1 十! l 1 + 里 4 l p = a h p 。 凡 2 瓦 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 图3 - 8u a f 4 2 电路连接圈 在上式中，d n 是有源滤波器电路的固有频率：q 是品质因数；a l p 、a h p 、 a 肿分别是滤波器的低通、高通和带通的增益。设计时可使r 1 = r 2 = k 4 = 5 0 k q ， c i = c 2 = l o o o p f ，这样，再选择适当的r g 和l 沁就可以确定q 以及滤波电路的增 益限波频率由下式决定：厶。= ( o 恐：r ，严五 一般情况下，0 。岛：占。r ：。y 2 = l ，这样榭。= f o 而 ；1 2 , 哦，决定 其中，r r = r ，1 ；足f 2 = 1 3 2 5 m f l ，c = c i j = c 2 _ = 1 0 0 0 p f ，如= 1 2 k q 另 1 7 守翮 一d 一如 外r 限波频率与带宽和品质因数有如下的关系：b w = 五。q ，其中品质因数q 由下式确定：q - _ 心，垦。= 矗。如：= 1 2 4 = 3 ，所以带宽为i o h z ，进而可以计算 出电阻i b 的阻值2 0 k o 。1 2 3 1 脚i 嘲 二、结论 通过实验，得出u a f 4 2 的设计能够满足信号的滤波，有效信号能够顺利通 过而其它频率( 高频噪声等) 的信号均不能通过该滤波器，所以该滤波器可以有 效的进行带通滤波，完全满足设计目的 3 4 控制器 单片机控制部分原理图如图3 - 9 所示； 睁母单坩畦嚣螂分燎嘲 控制器是由8 0 5 1 、8 7 2 9 、7 4 l s 3 7 3 ，7 4 l s l 3 8 等芯片组成，主要用来处理 由霍尔传感器测量的转速脉冲信号并在其内部按一定的算法得出控制量。 一、8 0 5 1 简介 l 、管脚如图3 1 0 ： 1 8 2 、各引脚功能简要说明如下： 1 ) 电源引脚v c c 和v 豁 v c c ( 4 0 脚) ：电源端，为+ 5 v 。 v s s ( 2 0 脚) ：接地端。 2 ) 时钟电路引脚x 队l l 和x r a i 2 x t a l i ( 1 8 脚) ；接外部晶体和微调电容的一端；在8 0 5 1 片内它是振荡电路 反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电 路时，该引脚输入外部时钟脉冲 x t a l 2 ( 1 9 脚) ：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反 相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。 3 ) 控制信号引脚r s t ，a l e ，? s e n 和朋 r s t v p d ( 9 脚) ；r s t 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两 个机器周期( 2 4 个时钟振荡周期) 的高电平时，就可以完成复位操作。r s t 引 脚的第二个功能时v m ，即备用电源的输入端。当主电源v c c 发生故障，降低到 低电平规定值时，将+ 5 v 电源自动接入r s t 端，为r a m 提供备用电源，以保 证存储在r a m 中的信息不丢失，从而使复位后能继续正常运行。 1 9 a l e ，p r o g ( a d d i 也s sl a ：】汜he n a b l e ，p r o g r a m m i n g ，3 0 脚) ；地址 锁存允许信号端。当8 0 5 1 上电正常工作后，a l e 引脚不断向外输出正脉冲信号， 此频率为振荡器频率。的1 6 。c p u 访问片外存储器时，a l e 输出信号作为锁 存低8 位地址的控制信号。 平时不访问片外存储器时，a l e 端也以振荡频率的i 6 固定输出正脉冲，因 而a l e 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。 a l e 端的负载驱动能力为8 个l s 型r r l ( 低功耗甚高速m ) 负载 p s e n ( p r o g r a ms t o r ee n a b l e ，2 9 脚) ：程序存储允许输出信号端。 在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。 此引脚接e p r o m 的o g 端。p s e n 端有效，即允许读出e p r l 撇o m 中的指令 码。 p s e n 端同样可驱动8 个l s 型1 凡负载 e a ，v p p ( e n a b l ea d d r e s s ，v o l l a g ep u l s eo fp r o g ra m m i n g ，3 1 脚) ：外部程序存储器地址允许输入端，固化编程电压输入端。 当点“引脚接高电平时，c p u 只访问片内e p r o m r o m 并执行内部程序存储 器中的指令，但当p c ( 程序计数器) 的值超过0 f f f h ，将自动转去执行片外程 序存储器内的程序 当输入信号e a 引脚接低电平( 接地) 时，c p u 只访问外部e p r o m r o m 并 执行外部程序存储器的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内r o m 的8 0 3 1 等，需外接e p r o m ，此时必须将e a 引脚接地。如使用片内r o m 的8 0 5 1 ， 外扩e p r o m 也是可以的，但也要将e a 接地 4 ) 输输出端口p o ，p l ，p 2 和p 3 p o 口( p 0 o p o 7 ，3 9 3 2 脚) ：p 0 口是一个漏极开路的8 位准双向y o 端 口，作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8 个l s 型1 r l 负载当p o 口作为 输入口使用时，应先向口锁存器( 地址8 0 h ) 写入全l ，此时p o 口的全部引脚 浮空，可作为高阻抗输入作输入口使用时要先写l ，这就是准双向的含义 p 1 口( p i o p 1 7 ，l - - 8 脚) ：p 1 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端口。p l 口的每一位能驱动4 个l s 型r r l 负载。 在p 1 口作为输入口时，应先向p l 口锁存器( 地址9 0 h ) 写入全l ，此时p 1 口引脚由内部