（机械电子工程专业论文）基于电液比例控制的三轴操纵控制器的研制.pdf

论文题目：基于电液比例控制的三轴操纵控制器的研制 专业：机械电子工程 硕士生：兰志恒 指导教0 i l i ：李海宁 摘要 ( 签名) ( 签名) 爹刍l f 查 工程机械传统操控方法多采用集成的多路手动换向阀，通过各连杆杆件和软轴操纵 机构，将要实现的一系列操纵功能分散在多个操纵杆上进行。该方法需要的操纵杆较多， 操纵力大，很大程度上影响了作业质量和效率。采用多路电液比例换向阀和具有多自由 度操控功能的操控器，可以实现单手多自由度的控制，实现对多个液压执行元件动作的 集中比例控制，不仅大大减少了操纵杆的数量，提高了操纵性能，同时还可实现远距离 操控，在一些特殊环境下能够有效地保护作业人员的安全。 本论文旨在开发一种具有上述功能特点的三轴操纵控制器。该操控器可以通过手柄 在三维空间不同方向上产生的位移量，经传感电路和信号处理电路输出三组与手柄位移 成比例的模拟电压信号，经比例放大器对多路电液比例换向阀上的六个比例电磁铁进行 控制，从而实现单手柄集中控制多个液压执行机构的动作。论文在对电液比例控制系统 深入研究的基础上，以人机工程学为基本准则，提出一种三轴操纵杆设计方案及传感信 号处理单元的设计方案。 文中详细阐述了三轴操纵杆的机械结构组成原理、典型机构的设计方法、关键零部 件的尺寸计算以及传感元件的选取和电路分析；应用c a t i a 和开目c a d 软件分别设计 了操纵杆的三维模型图和机械工程图，并且加工出了实物样机。信号处理单元硬件电路 以单片机c 8 0 5 1 f 3 3 0 为核心，进行了信号采集电路、单片机电路、信号处理放大电路及 d a 转换电路的设计；软件部分用c 5 1 语言完成了主程序、a d 转换子程序、手柄中位 标定、数据处理子程序及d a 转换子程序的设计。在调试中利用软件程序对手柄在各轴 上动作的极限值进行了标定。 经过整机调试和功能测试，表明本文提出的三轴操控器设计方案正确可行，其主要 功能得以实现，输出信号满足设计要求；操控器在x 、y 轴上的线性度较好，z 轴上的 线性度经过软件修正，有了明显的改善。 关键词：电液比例控制；操控器；三轴操纵杆；多路换向阀；单片机 研究类型：应用研究 s u b j e c t：d e v e l o p m e n to ft h r e e a x i so p e r a t i o nc o n t r o ld e v i c e sb a s e d o ne l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：l a nz h ih e n g i n s t r u c t o r ：l ih a in i n g ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t 刀始t r a d i t i o n a lm a n i p u l a t i v em e t h o do fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ym o s t l ya d o p t st ot h e i n t e g r a t e dm u l t i - c h a n n e lm a n u a lc o n v e r s i o nv a l v e s ，t h r o u g hv a r i o u sc o n n e c t i n gr o d sm e m b e r a n dt h ef l e x i b l es h 啦c o n t r o lm e c h a n i s m ，as e r i e so fo p e r a t i o nf u n c t i o nw h i c hi sg o i n gt o r e a l i z ew e r ed i s p e r s e s e do nm a n yc o n t r o lh a n d l e s t h em e t h o dn e e d sm o r ej o y s t i c k s ，t h e o p e r a t i n gf o r c ei sg r e a t ，a f f e c t e dt h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fo p e r a t i o n st oal a r g ee x t e n t u s e st h em u l t i - - c h a n n e le l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n v e r s i o nv a l v ea n dt h eo p e r a t i o n c o n t r o ld e v i c e s 诵t l lm u l t i - d e g r e e so ff r e e d o m ，m a yr e a l i z et h es i n g l e - h a n d e dc o n t r o lo f m u l t i d e g r e eo ff r e e d o m ，r e a l i z e st oc e n t r a l i z e dc o n t r o lt h em o v e m e n to fm a n yh y d r a u l i c a c t u a t o rp r o p o r t i o n a l i t y ，n o to n l yr e d u c e dt h eq u a n t i t yo fj o y s t i c k sg r e a t l y ，e n h a n c e dt h e h a n d l i n gq u a l i t y ，m e a n w h i l em a yr e a l i z et h er e m o t eh a n d i n g ，w h i c hc a np r o t e c tt h eo p e r a t i n g p e r s o n n e l ss a f e t ye f f e c t i v e l yu n d e rs o m es p e c i a le n v i r o n m e n t t h er e s e a r c hp a p e ri sf o rt h ep u r p o s eo fd e v e l o p i n go n e 虹1 1 do ft h r e e - a x i so p e r a t i o n c o n t r o l l e rw i t l lt h ea b o v ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c i tc a l lo u t p u t st h r e eg r o u p so fa n a l o gv o l t a g e s i g n ai np r o p o r t i o nt ot h eh a n d l e sd i s p l a c e m e n t ，t h r o u g ht h eh a n d l e sd i s p l a c e m e n tq u a n t i t y p r o d u c e di nd i f f e r e n td i r e c t i o no ft h et h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c e ，p r o c e s s e db ys e n s i n gc i r c u i t a n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，t oc o n t r o ls i xp r o p o r t i o ne l e c t r o m a g n e to ft h em u l t i - c h a n n e l e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v ev i at h ep r o p o r t i o n a la m p l i f i e r ，t h u sr e a l i z e sc o l l e c t i v e c o n t r o lm a n yh y d r a u l i ca c t u a t o r sm o v e m e n tb yo n e j o y s t i c k t h ep a p e rp r o p o s e so n ed e s i g n p r o p o s a lo ft h et h r e e - a x i so p e r a t i o nc o n t r o l l e ra n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，o nt h eb a s i s o fi n t e n s i v e s t u d y i n g t h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l s y s t e m ，t a k e d t h e m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n ga st h eb a s i cc r i t e r i o n i tw a sd e t a i l e d l yd e s c r i b e dt h a tt h ec o m p o s i t i o np r i n c i p l em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h e t h r e e - a x i so p e r a t i o nc o n t r o l l e r ，t h ed e s i g nm e t h o do ft h et y p i c a lm e c h a n i s m ，t h ed i m e n s i o n i n g o ft h ec r i t i c a lc o m p o n e n t s ，t h es e l e c t i o no fs e n s i n ge l e m e n ta n dc i r c u i ta n a l y s i si nt h i s p a p e r ，d e s i g n e dr e s p e c t i v e l yt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e la n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gd r a w i n g s b yu s i n gc a t i a a n dk m c a d ，a n dp h y s i c a lp r o t o t y p e t h ec o r eo fh a r d w a r ec i r c u i to fs i g n a l p r o c e s s i n gu n i t i sm c uc 8 0 51f 3 3 0 ，i tc o n s i s to fd e s i g n m e n t so ft h es i g n a lc o l l e c t i o n c i r c u i t ，t h em i c r o c o n t r o n e rc i r c u i t ，t h ea m p l i f i c a t i o nc i r c u i to fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h ea d c o n v e r s i o nc i r c u i t s o f t w a r ep a r t sc o m p l e t ed e s i g n m e n t so ft h em a i np r o g r a m ，t h ea d c o n v e r s i o ns u b r o u t i n e ，t h ed a t ap r o c e s s i n gs u b r o u t i n e ，t h ed ac o n v e r s i o ns u b r o u t i n e ，t h e d e m a r c a t i o no fh a n d l em e d i a nb yu s i n gc 51 l a n g u a g e i nd e b u g g i n g ，l i m i tv a l u eo fh a n d l e m o v e m e n ti ne a c ha x i sw a sd e m a r c a t e db yu s i n gt h es o f t w a r ep r o g r a m a f t e rt h ec o m p l e t em a c h i n ed e b u g g i n ga n dt h ef u n c t i o nt e s t ，i n d i c a t e dt h a tt h ed e s i g n p r o p o s a lo ft h et h r e e - a x i so p e r a t i o nc o n t r o l l e rw a sc o r r e c t l yf e a s i b l ei nt h i sp a p e r ，i t sm a i n f u n c t i o nh a sb e e nr e a l i z e da n dt h eo u t p u ts a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u e s t ；t h el i n e a r i t yw a sg o o d o nxa x i sa n dya x i so ft h ej o y g i c k ，a n dt h el i n e a r i t yo fza x i sh a sb e e no b v i o u s l y i m p r o v e d ，m o d i f i e db yt h es o f t w a r e k e y w o r d s ： e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l o p e r a t i o nc o n t r o l l e r t h r e e - a x i s j o y s t i c k m u l t i c h a n n e lc o n v e r s i o nv a l v e s i n g l e c h i pc o m p u t e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要错技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 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。 学位论文作者签名：兰磊幢日期：叩莩岁日杏自 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据序进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适川本声明。 学位论文作者签名： 络恒 指删僦：力嗲 ， 一 劲哆年支具毡黾 i 绪论 1 1 课题的提出 1 绪论 近年来，由于电子技术的飞速发展及计算机技术的普遍应用，工程机械广泛采用先 进的电液比例控制技术。电液比例控制技术是工程机械设备中发展速度最快的技术之 一。它填补了传统开关式液压控制技术与伺服控制之间的空白，已成为流体传动与控制 技术中最富生命力的一个分支。特别是与微电子，计算机技术相结合，使其同时具备了 液压能传递较大功率的优越性与电子控制、计算机控制的灵活性【l 】。随着液压传动技术 和电子控制技术在工程机械上的应用，工程机械向着自动化、智能化、机器人化的方向 发展，从而进一步节约能源、提高效率、改善操纵性能、提高安全系数。 工程机械实现机电液一体化是其发展的必然趋判2 1 。近年来工程机械的发展中很重 要的一方面是操纵和控制机构的改进【3 】。要解决控制问题，只从机械和液压角度来考虑 很难使产品有质的飞跃，必须引入具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术或电液 转换技术【4 1 。随着电液比例阀在现代工程机械设备中的应用，研究开发控制性能良好的 电子操控系统，越来越受到人们的重视。 大多数工程机械设备，如挖掘机、装载机、掘进机和各种地质工程钻机等等，其作 业动作都是由多个液压执行元件完成的在多维空间上的复合运动。传统的操控方法是采 用集成的多路手动换向阀，通过各连杆杆件和软轴操纵机构，将要实现的一系列操纵功 能分散在多个操纵杆上进行。这种结构需要的操纵杆件较多，而且操纵力较大( 一般在 9 0 n 左右) ，这在频繁动作的场合下，分散了驾驶员的注意力，影响了作业质量和作业 效率，同时劳动强度较大，系统可靠性较低。另外，这些手动换向阀一般都是开关量控 制，对执行机构的速度无法按要求由操纵杆直接控制。 采用多路电液比例换向阀和具有多自由度操控功能的操纵杆控制器，就可以实现单 手多自由度的控制，并可以通过专用的比例放大器产生与操纵杆的位移量成比例的控制 信号去控制多路电液比例换向阀，实现多个液压执行元件动作的集中比例控制。本论文 就是要研究开发具有这些功能特点的操纵杆及其控制器。 1 2 电液比例控制技术及系统概述 1 2 1 电液比例控制技术概述 电液比例控制是指用输入的电信号来调制液压参数，使之连续成比例地变化1 5 1 。它 是介于电液开关控制和电液伺服控制之间的一种控制技术。兼有两者之所长。从控制功 西安科技大学硕士学位论文 能和系统特性上看，电液比例控制与电液伺服控制相似，但它的控制精度和动态响应速 度比电液伺服控制低得多( 约一个数量级) ，事实上其精度完全满足工程机械作业的精 度要求【6 1 。与电液开关控制相比，电液比例控制能够按比例连续地控制液压系统的压力 和流量，从而可以对执行组件的力、速度和位移进行连续控制，并能按输入信号的极性 改变液流方向。电液比例控制系统能够实现工程中电液开关控制难以满足的连续控制和 高精度控制，并可以与微电子技术结合，实现遥控、自控和适应控制【6 】。 习惯上，把使用比例控制元件( 含比例阀、比例控制泵及比例放大器) 的液压系统 称为电液比例控制系统【7 】。电液比例控制系统的优点是充分利用液压控制与电气控制的 长处，即在功率传递方面利用液压传动的大功率，响应快速的优点，在信号处理方面利 用电气信号的处理运算方便的优点，并且可以对于被控液压参数的大小进行电气遥控和 无级转换。这样使液压阀自动的参与各种自动控制过程，无需像常规控制中经常需要人 工控制的参与，从而使整个液压系统的控制水平可以得到较大的提高，使电液比例系统 得到了广泛的应用1 8 1 。 1 2 2 电液比例控制系统的组成 一般电液比例控制系统，由指令、电子信号处理及放大单元、电液比例控制单元( 含 机械转换器在内的比例阀、电液比例变量泵及变量马达) 、动力执行单元及动力源、工 程负载及信号检测反馈处理单元所组成。其基本构成可归纳为图1 1 所示的方框图【9 1 。 图1 1 电液比例控制系统组成框图 系统指令及放大器件包括指令输入单元、信号处理单元及转换放大单元，指令输入 单元一般为操纵杆或电子编程器。信号处理单元接受人机对话指令或定值、程序指令， 并接受反馈信号，一般具有信号比较、变换、运算、逻辑等处理功能。转换放大单元的 功能是将指令信号按不同方式进行相互转换和线性放大，使放大后的功率足以驱动电一 机械转换器件，同时它还必须具有良好的稳态和动态特性。 电液比例控制单元主要由含电一机械转换器在内的比例阀和含液压转换及放大器 2 1 绪论 件在内的电液比例变量泵等比例式器件组成。它的功能是将放大器输出的控制电流信号 转换成机械量控制信号一力( 力矩) 和位移( 转角) 。根据不同的电一机械转换器的控制要 求，转换放大单元可分为电压反馈型和电流反馈型。液压转换及放大器件实际上是一功 率放大元件。 液压执行元件通常是液压缸或液压马达，其输出参数只能是位移、速度、加速度和 力或者是转角、角速度、角加速度和转矩。 信号检测反馈单元是将上述执行元件输出的动力参数或其他中间状态变量加以检 测并转换为反馈量，既可以采用电信号反馈至指令放大器，亦可以采用机械或液压方式 反馈至电一机械转换器的输出端，用于提高整个系统的性能和控制精度 1 0 a f 】。 液压动力源通常采用由容积式液压泵、溢流阀和蓄能器所组成的恒压油源。 1 2 3 电液比例控制系统的特点 ( 1 ) 电液比例控制的技术优势【l 2 】 电气与电子技术在信号的检测、放大、处理和传输等方面比其他方式具有明显的优 势，特别是现代微电子集成技术和计算机科学的发展，使得这种优势更显突出。因此， 工程控制系统的指令及信号处理单元和检测反馈单元几乎无一例外地采用了电子器件。 而在转换放大单元和执行部件方面，液压元件则有更多优越性。电液控制技术集合了电 控与液压的交叉技术优势。 电液比例控制与普通的开关控制比较其主要优点为： 电信号易于传递与处理，便于实现遥控或自控； 工作平稳，控制精度较高； 可以简化油路设计，节省元件数量； 可以实现适应控制，降低能耗，有显著节能效果； ( 2 ) 电液比例控制系统的特剧1 3 j 从工程应用的角度看电液比例控制系统主要有以下特点： 明显地简化液压系统，实现复杂程序控制。通过输入信号按预定规律的变化，连 续成比例地调节受控工作机械作用力或力矩、往返速度或转速、位移或转角等，是比例 控制技术的基本功能，这一基本功能不仅改善了系统控制功能，而且大大简化了液压系 统，降低了费用，提高了可靠性。 引进微电子技术的优势，利用电信号便于远距离控制，以及实现计算机或总线检 测与控制。采用电液比例控制系统不但可以实现远距离有线或无线控制，也可改善主机 的设计柔性，并且可以实现多通道并行控制。 能按比例控制液流的流量、压力、从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控 制，并易于实现自动无级调速。 3 西安科技大学硕士学位论文 液压传动系统之所以能得到广泛的应用，正是由于液压系统具有通用性、多功能性 和可控性的特点。在控制性能上，电液比例控制元件除具有各种单一控制功能外，往往 具有流量、方向和压力三者之间的各种复合功能。这一技术特性不仅表现在阀控元件， 在容积控制元件中也得以展现，阀控或容积控制元件的多功能复合，使电液比例控制系 统与传统液压控制系统相比，不仅大为简化，而且可靠性、控制性得到提高。 电液比例控制系统与开关控制相比具有控制精度高、响应快的优点，与伺服系统相 比具有可靠、节能等明显优点，作为连接现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的 桥梁，已经赢得了广泛的应用领域，形成了颇具特色的技术分支。采用比例控制后，产 品的档次和水平也得到较大的提高，因此，各工业部门对电液比例技术的要求日益增大。 1 3 研究的目的和意义 现代工程施工要求工程机械具有以下性能：生产效率高且能量损失小，节约能源； 自动化程度高，施工质量好，精度高；性能稳定，工作可靠、安全、使用寿命长；具有 较好的经济性，即高的性能价格比和低的制造与使用成本；操作简单、轻便，劳动强度 低，驾驶员的工作条件好；提高作业效率。随着科学技术的不断发展，机电液一体化作 为一项高新技术引入到工程机械中，为工程机械带来了新的技术革命，为工程机械技术 的发展注入了新鲜的血液。工程机械机电液一体化发展的最终目标是简化操作与维修， 提高机器的动力性和经济性，提高机器的作业效率和作业质量，最终实现机器的智能化 和无人化。机电液一体化水平的高低，现已成为衡量工程机械性能的重要指标之一【l 4 。 开发具有多自由度操控性能的操控器去控制电液比例换向阀的换向和流量，可以通 过手柄按比例地控制多个执行机构动作的方向和速度，实现了对被控参量的无级调节， 大大减少了操纵杆的数量，提高了操纵性能。另外，由于电信号易于控制处理，适于远 距离传输以及电器元件体积小、重量轻、易于集成的特点，采用多路电液比例换向阀和 具有多自由度操控功能的操作杆，还可以实现远距离操控，这在一些危险恶劣的工作环 境中，可以有效地保护操作人员的安全。 在我国，目前大多工程机械上所采用的操纵工作装置依旧以手动直接操作和液压先 导控制多路阀居多。一些工程机械生产厂家正在积极进行技术创新，开发由电控先导操 纵的电液比例系统取代原来的机械控制液压系统，已经有了很大的进展，但在操纵杆的 应用方面，大都采用两轴的操纵杆，局限于对部分功能实现控制。所以开发实现三自由 度控制的操纵控制杆同时对三个多路电液比例换向阀进行控制，能够实现单手柄集中控 制多个执行机构的动作，其技术的出发点是先进的，而且有着很好的工程应用价值。概 括为以下几个方面： ( 1 ) 在应用上，开发具有多自由度操控性能的操纵控制器，经电液比例换向阀实 现多个执行机构动作的比例控制，可以减轻劳动强度，提高作业质量和生产率，提高操 4 1 绪论 纵性能，也有利于设备的安装维修。 ( 2 ) 就目前掌握的资料，国内用于电液比例控制的操纵杆多数只有两个自由度。 就这点来说，技术的出发点是先进的。 ( 3 ) 可以实现远距离操控，在一些危险恶劣的工作环境中，可以有效地保护作业 人员的安全。 ( 4 ) 有一定的通用性；这种多自由度集中操控器的应用不仅仅局限在工程机械方 面，也可以用来实现多自由度机械手的远距离模拟操控，以及用于起重运输机械和其他 行走机械的液压系统，对多个执行机构实行集中控制。 1 4 本课题国内外发展状况 在国外，一些先进的工程机械在制造上已基本完成机械的可靠性工作，目前己把 研究的重点放在提高机械的舒适性、环保性、美观性及高新技术的应用上。在操纵系 统中的手柄设计上也更加符合人机工程学原理，操纵已经完全采用液压先导控制或电 液控制，减小了操纵力和行程，改善了人员的操纵性、舒适性和安全性【6 】。目前，国 外工程机械设备多数都采用了电液比例控制。各种用于比例控制的操纵杆及控制器等 相关产品的开发技术已比较成熟，推出了一系列单轴、双轴多向操纵杆及多通道比例 放大器。图1 2 是t e c n o r d 公司j m f 型操纵杆【l5 1 ，利用一个手柄就可以对图中多 个电液比例阀和开关阀进行有效控制。该手柄在x 轴和y 轴方向都可以实现比例控 制或开关控制。 电 图1 2 一种工程机械专用操纵杆 目前，国内工程机械设备在操纵方式上，大多还是采用手动直接控制和液压先导控 制多路阀。很多生产厂家正在积极地进行技术创新，不断推出自己的新产品，试图简化 系统的操作，提高操纵性能。在一些工程机械产品上已经开始用电控先导控制的电液比 5 西安科技大学硕士学位论文 例系统代替传统的机械控制液压系统。但是在其产品上采用单手柄集中控制的却很少， 只是少数企业部分地将一些操纵功能集中到一个操纵杆上u4 1 。 智能化、机电一体化是工程机械发展的必然趋势，在其操纵系统性能方面，会不断 通过改进液压及电子技术，实现简单、安全及精确控制操作，减少操纵杆的数量，以解 决人员长时间操作疲劳的问题；操纵的简单化和智能化将进一步保障系统的有效安全运 行，新的单手柄集中操纵系统会不断运用而生。 1 5 本课题的主要工作 本课题针对工程机械设备中广泛应用的电液比例控制系统，研究开发了一种三轴操 控器，用于实现对三个双向多路电液比例换向阀的集中控制。其产生的信号要求能够满 足双向比例换向阀通用比例放大器的标准输入或其它型式比例执行器。研究内容包括能 够实现三自由度操控性能的操纵杆机械结构设计；传感元件选型、安装及相应电路的设 计以及基于单片机核心的信号处理器的软硬件设计等。主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 研究电液比例控制系统的组成特点及其操控系统的功能要求，完成了三轴操 控器的总体设计。 ( 2 ) 根据操控器的功能要求，设计操纵杆的机械结构并完成零部件的加工和样机 的组装。 ( 3 ) 确定位移传感元件的种类和型号并设计相应的传感电路。 ( 4 ) 进行信号处理单元的硬件电路设计。以单片机c 8 0 5 1 f 3 3 0 为核心，完成了信号 采集电路、单片机电路、信号处理放大电路及d a 转换电路的设计。 ( 5 ) 用c 5 1 语言编写各功能模块的单片机程序。完成了主程序、a d 转换子程序、 手柄中位标定、数据处理子程序及d a 转换子程序的设计。 ( 6 ) 对操控器进行整机调试和功能测试。对操控器在各轴上的输入位移输出电压 性能进行标定，拟合相应曲线，分析其线性度；对于线性度较差的方向轴，利用软件对 其输出电压进行适当处理变换，以做进一步的改善。 1 6 本章小结 本章节主要阐述了电液比例控制系统的组成及特点、工程机械操控系统的国内外发 展状况：明确了研制具有多自由度操控性能的操纵杆控制器的目的和意义，也明确了本 论文所作的主要工作。 6 2 三轴操控器的总体设计 2 三轴操控器的总体设计 2 1 比例电磁铁及比例放大器的性能研究 2 1 1 比例电磁铁的工作特性 目前比例阀上采用的电机械转换器主要是比例电磁铁。比例电磁铁是一种直流电 磁铁，但和普通的通断电磁铁不同。普通电磁铁只要求有吸合和断开两个位置，并且为 了增加吸力，在吸合时磁路中几乎没有气隙。而比例电磁铁则要求吸力( 或位移) 和输入 电流成比例，并在衔铁的全部工作位置上，磁路中保持一定的气隙。比例电磁铁在结构 上的不同之处在于衔铁、极靴和铁心套管总成的设计，其结构形成在整个电磁铁行程范 围内给出比较恒定的力【l6 1 。图2 1 画出了两种电磁铁的吸力特性曲线i l j 。 比饲电i l t 己 1 、l 嗍 、 、丑屯t t - - i _ 】 ( 、 心5 啷l 2 弼l 、 r i o l i1 i i 一 i 图2 1 比例电磁铁的吸力特性 比例电磁铁的吸力特性可分为三个区段，在气隙很小的区段i ，吸力虽大，但随位 置改变而急剧变化；而在气隙较大的区段，吸力明显下降；吸力随位置变化较小的区 段i i 是比例电磁铁的工作区段( 为防止衔铁进入区段i ，可加限位环) ，由于其在工作区 段内具有基本水平的位移一力特性，所以改变线圈中的电流，即可在衔铁上得到与其成 比例的吸力。电磁铁力与线圈电流之间的关系是线性关系，这意味着在其工作行程内衔 铁的任何位置上电磁铁力只取决于线圈电流。如果要求比例电磁铁的输出为位移时，可 在衔铁侧面加弹簧，由于弹簧力与压缩之间的线性关系，则使电磁铁克服弹簧力推动阀 7 西安科技大学硕士学位论文 芯，从而便可得到与电流成正比的位移1 7 1 。 2 1 2 比例放大器的分类及其基本功能实现 比例放大器是电液比例控制系统的重要组成部分，它是电液比例阀和电液比例泵的 控制和驱动装置，能够根据比例阀和比例泵的控制要求对控制信号进行处理、运算和功 率放大【7 j 。比例放大器根据指令单元输入电信号的大小转换成相应的电流信号，这个电 流信号被送入比例电磁铁，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀芯锥阀芯上的力，以克服 弹簧的弹力。电流增大，输出的力相应增大，该力或位移又作为输入量加给液压阀，后 者产生一个与前者成比例的流量或压力。电磁铁断电后，复位弹簧使阀芯返回中位。通 过这样的转换，输入电信号的变化不但可以控制执行器和工作部件的运动方向，而且可 对其作用力和运动速度进行无级的调节，使系统的输出量与给定值保持在允许的范围之 内，与此同时输出功率被大幅度的放大【1 8 , 1 9 。生产比例阀和比例泵的厂家均生产了配套 的比例放大器，可随比例阀和比例泵一起供货。不同厂家之间，或同一厂家不同型号的 比例阀，其比例放大器没有互换性1 7 。 比例放大器可以从不同角度进行分类，按适应性可分为专用比例放大器和通用比例 放大器；按输出控制信号的数量可分为单通道和双通道，单通道的用于控制单电磁铁的 比例元件，例如比例压力阀和比例流量阀等。双通道的主要用于三位四通比例方向阀的 控制；按放大器内是否带反馈通路来区分，可以分为开环和闭环控制两种1 2 0 j ；另外按放 大器内运算信号的类型可将比例放大器分为数字式和模拟式，模拟式比例放大器按连续 信号的方式工作，加在比例电磁铁线圈两端的信号为连续直流电压，功耗较大。数字式 比例放大器又分为数字信号放大器和开关式放大器。开关式放大器的功放管工作在截止 或饱和区，即开关状态，加在比例电磁铁线圈两端信号为脉冲电压，功耗小，开关式比 例放大器以p w m 式为主。数字信号放大器内部采用数字芯片完成信号运算。 比例放大器实现的基本功能是【7 1 ： ( 1 ) 实现从电压信号到电流信号的转换，并提供与输入电压成比例且功率足够的 控制电流。 ( 2 ) 输入端有各种标准信号的接口，易于实现与不同信号发生装置的连接。采用 标准电源供电。 ( 3 ) 信号的波形、幅值、频率符合电液比例阀的静态和动态特性要求。 ( 4 ) 能产生正确有效的控制信号。这意味着必须有正确无误的逻辑控制与信号处 理装置。如为了减少比例元件零位死区的影响，放大器应具有幅值可调的初始电流功能， 为减少系统过渡过程的冲击，对阶跃输入信号能自动生成速率可调的斜坡输入信号。为 减小滞环的影响，放大器的输出电流应含有一定频率和幅值的颤振电流分量等。 8 2 三轴操控器的总体设计 i i ii 。 i i i i i 宣暑宣宣昌宣昌宣j i 盲i 萱i i i 置i 宣i i i 萱i 宣i i i i i i 暑i ；宣i i 置宣i 宣i i i i i i 宣；i 宣i 宣i i i 宣i i i i i i i ；i i i i 暑宣置i i i i i i i i 宣萱 2 2 三轴操控器的功能实现及要求 如前所述，一个电液比例控制系统必定有指令输入单元和电控单元。指令输入单元 一般为操纵杆和传感元件或电子编程器；电控单元包括信号处理及比例放大器。而比例 放大器作为比例阀的基本控制单元，一般的生产厂家都会有配套的产品，并且其功能已 经越来越完善。虽然不同厂家之间，或同一厂家不同型号的比例阀所配套的比例放大器 不能完全通用，但一般来说，比例放大器能接受常用的标准信号。工业控制的信号传输 主要采用电压传输和电流传输两种方式。比例放大器能接受控制源的标准电压及电流控 制信号。常用的标准信号有：0 - - - , + 5 v ，0 - - - - , + 1 0 v ，0 - - - 士2 0 m a ，4 - - - 2 0 m a 等【7 1 。 本三轴操控器的设计就是要研发一种以手柄动作为指令输入方式的操纵杆及其相 应的传感信号处理单元，输出比例放大器能够接受的标准电压信号( o + 5 v ) 。工程机 械上采用的操纵杆有开关量信号输出和模拟量信号输出之分，开关量输出控制普通电磁 铁的吸合；模拟量输出控制比例电磁铁( 经比例放大器进行处理和功率放大) 。目前市 场上，模拟量信号输出的操纵杆大致分为单轴单向、单轴双向、双轴十字及双轴全方位 型。根据实际需要，各种型号操纵杆都有不同程度的应用市场。实际应用中也有很多操 纵杆同时具有多路模拟量输出和多路开关量输出的功能。另外，也可以根据实际需要向 一些操纵杆生产厂家定制各种特定的操纵杆。 顾名思义，本三轴操控器的设计要求操纵杆具有三个自由度，能够实现三轴上的动 作。它可以通过操纵杆在三维空间不同方向上产生的位移量，经传感电路和信号处理电 路输出三组与手柄位移( 角位移或线位移) 成比例的模拟量，对6 个比例电信号进行输 出控制。本操控器可对多路电液比例换向阀上的六个比例电磁铁进行控制，实现单手柄 集中控制多个液压执行机构的动作，它具有控制灵敏、操纵省力、使用方便、体积小和 重量轻的优点。其具体的功能要求如下： ( 1 ) 操纵杆可以在三维空间不同方向上同时进行动作，带动直线位移传感器的滑 动触头或角位移传感器的转动轴，产生三组位移量。 ( 2 ) 操纵杆在方向上的动作都要有自动复位的功能，且操纵力的大小要符合人机 工程学要求。 ( 3 ) 操纵杆各方向上动作的转角位移电压信号及直线位移电压信号通过信号处理， 要求输出比例放大器能够接受的一种常用标准电压信号( 0 + 5 v ) 。 2 3 三轴操控器设计方案 采用多路电液比例换向阀和具有多自由度操控功能的操作杆，可以实现单手多自由 度的控制，并可以通过专用的比例放大器产生与操纵杆的位移量成比例的控制信号去控 制多路电液比例换向阀，从而通过手柄按比例地控制多个执行机构动作的方向和速度， 9 西安科技大学硕士学位论文 实现多个液压执行元件动作的集中比例控制。本课题设计的操控器所适用于的电液比例 控制系统如图： r ir - j 三轴操控嚣电液比例目 操纵杆h 信茎凳理h 比警大h 嚣h 液磊荐行h 工程负载 图2 2 三轴操控器所适用的电液比例控制系统框图 整个操控器由操纵杆单元和信号处理单元两部分组成。 2 3 1 操纵杆设计方案 操纵杆是模拟电压信号的提供单元。主要利用机械机构原理及传感器技术，完成手 柄三自由度动作的实现，并且将手柄在三维空间不同方向上的位移变化量通过相应的位 移传感器，转化为模拟电压信号输出给信号处理单元。操纵杆的设计主要包括两个内容， 一是操纵杆的机械结构设计；二是传感元件的选取和电路实现。 按照操控器的功能要求，操纵杆的机械设计应该使得手柄能够在x o y 平面上全方 位摆动，考虑到人员扳动手柄的舒适度，手柄在任意方向转动的极限角度设置为士3 0 0 。 另外，在手柄把的杆体内设计安装一种可以上下活动的装置，该装置上连接有伸出杆体 体外的拨块，利用拇指可以对拨块灵活控制上下位移，从而带动直线位移传感器的滑动 触头，实现第三轴上的动作。同样，出于人员操作舒适性的考虑，对拇指拨块上下位移 的极限值进行了限位( 设置为士1 5 m m ) 。 根据操纵杆的动作方式，传感器选用两个相同的角位移传感器( 精密导电塑料电位 器) ，去测量手柄在x 、y 轴上转过的倾角位移；选用一个直线位移传感器( 滑动变阻 器) ，把它安装在杆体内，测量拇指拨块在z 轴上的直线位移。在具体选择时，还要考 虑到以下几个因素：( 1 ) 高的可靠性和适应性；( 2 ) 测量的范围和精度；( 3 ) 高的性价 比；( 4 ) 结构简单，便于安装、使用和维护。 2 3 2 信号处理单元设计方案 信号处理单元主要负责采集操纵杆单元通过传感器发出的电压信号，并在对其进行 适当的处理、放大后输出与比例放大器相匹配的控制信号。这一功能可采用纯硬件电路 来实现：也可采用单片机系统，通过软硬件结合的方式实现。本设计选择后一种实现方 式，原因如下： ( 1 ) 由于三路传感器的设计安装不尽相同，它们的输出电压范围和手柄中位输出 1 0 2 三轴操控器的总体设计 电压值也各不相同，而操控器的最终输出要求为0 , - - + 5 v 电压信号，所以采用纯硬件电 路要求三路传感信号处理单元精度要高，而且三路设计各不相同，调试工作量较大。用 单片机系统可以在硬件上对三路传感信号的采集、处理采取同样的设计，利用软件对信 号进行处理，这样就大大减少了硬件设计和调试的工作量。 ( 2 ) 考虑到经济指标以及手柄把内的安装空间，所购直线位移传感器的线性度不 是太高，采用单片机系统可以通过软件编程对输出电压信号进行适当修正，使操控器输 出的电压信号与手柄动作位移变化量之间有较好的线性度。 依据以上论述，信号处理单元的硬件电路组成可分为a d 转换电路、单片机电路、 d a 转换电路、运算放大电路及电源电路等几个部分。单片机选用c 8 0 5 1 f 3 3 0 芯片，它 具有真正l o 位2 0 0 k s p s 的1 6 通道单端差分a d c ，带模拟多路器，可以对传感器的信 号电压直接进行循环扫描采集。d a 转换电路采用m a x 5 2 9 芯片，它是m a x m 公司推 出的8 位8 通道串行带输出缓存的数模转换器集成芯片，可同时对外设提供8 路模拟信 号输出。电源电路采用2 2 0 v 供电，输出+ 9 v 、+ 5 v 及+ 3 3 v 分别给集成放大电路、d a 转换电路和单片机电路进行供电。 信号处理单元设计中，单片机软件的设计和优化是非常重要的一个方面。软件编程 不仅要实现传感器信号的采集、处理及d a 输出，还要对手柄位移信号和输出电压信号 之间的线性度进行优化。程序用k e i lc 5 1 编写，要求程序可读性强，调试方便，易于 维护。 2 4 本章小结 本章节介绍了比例电磁铁的工作特性、比例放大器的种类及实现功能，明确了三轴 操控器的功能实现及要求，提出了三轴操控器总体设计方案，对操纵杆及信号处理单元 的设计方案分别进行了阐述。 西安科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 三轴操纵杆的设计 操纵杆又称控制杆，是一种常用的人机接口工具，它广泛应用于工程机械、交通运输 工具、医疗设备