（机械电子工程专业论文）基于dsp的全液压推土机通信控制系统研究.pdf

摘要 本文通过对国内外全液压推土机研究现状的分析和综合，结合具体样机，对 t q 2 3 0 型履带式全液压推土机行驶液压驱动系统及其控制方式进行了分析，提出 了典型工况下变量泵排量的调节算法，给出了行驶液压系统控制通信方案，用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d 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和制 作，借助c c 2 0 0 0 编程环境完成了控制器的软件设计。同时，为了实现上位机 p c 与下位机d s p 之间通过r s 一2 3 2 串行接口进行通信，本文在v i s u a lb a s i c6 0 提供的编程环境中，编制了上位机r s - - 2 3 2 串行通信程序。最后，本文通过实验 对控制器通信部分的功能进行了检验，验证了通信方案的可行性。 关键词：全液压推土机行驶液压驱动系统数字控制器d s p通信 a b s t r a c t t h r o u g ha n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ef u l l h y d r a u l i cb u l i d o z e ri nt h ew o r l d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eh y d r o s t a t i c t r a n s m i s s i o ns y s t e m sa n dt h ec o n t r o l l i n gs c h e m eo ft q 2 3 0 ，p r o v i d e sa n m o d u l a t i o ns c h e m eo fv a r i a b l ep u m pi nm o d e lc o m p l e x i o n s ，g i y e sa n e f f i c i e n tc o m u n i c a t i o ns c h e m eo fc o n t r o l ，c a r r i e so u tt h ed e s i g na n d e r e a t i o no ft h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o l l e rw i t ht h ec o r ep a r t t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s pa n dc o m p l e t e st h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ll e rw i t hc c 2 0 0 0 a tt h es a l l l e t i m e ，i no r d e rt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dd s pb yr s 一2 3 2 ， t h ep a p e rd e v e l o p st h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mb yv i s u mb a s i c6 0 a tt h e e n do ft h ep a p e r ，t h ef u n c t i o na n dv a l i d i t yo ft h ee o m m u n i c a t i o ni s v e r i f i e db ye x p e r i m e n t s 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 rh y d r a u i i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m d i g i t a lc o n t r o ll e r d s pc o m m u n i c a t i o n i i k 安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1推土机控制系统的研究背景及意义 随着国家基础设施建设步伐的加快，为我国： 程机械行业的发展提供了难得 机遇，国内各生产企业都在各自所属的领域内扩展产品种类，采用一些先进的技 术来开发自己的产品或通过引进国外先进技术来提高产品质量，并取得了一些令 人满意的成就。但是我们也应该看到，自身和国：外先进水平存在的差距，主要表 现在产品耐用性差，自动化程度低，对环境污染严重，技术创新力度严重不足， 即使我们现在的- 4 , 部分产品水平达到了国际先进水平，但这些产品的一些关键 技术仍掌握在国外企业手中。在我国加入w t o 以后，国外的先进技术和产品 大量涌入我国，对我国的工程机械产品市场也造成了严重的冲击。为此国家已经 提出了“工程机械十五发展规划”。虽然i | 二十世纪八十年代以来，我国 通过引进、消化、吸收，传统的机械式、液力机械式推土机从制造能力、生产规 模、技术水平上基本接近或达到国外同类产品的水平。但是近年来随着机电液一 体化技术的长足发展，传统的机械式、液力机械式推土机的操作繁琐，劳动强度 大、生产效率低、系统故障多等缺点以使其不能很好的满足生产作业的要求，发 展智能型工程机械已是大势所趋。随着科学技术的不断发展，液压传动愈来愈显 现出强大的生命力，国外的液压传动技术日趋成熟，在推土机上的应用愈来愈多， 大有取代传统传动形式的趋势。国外的推土机液压传动理论和技术处于保密状 态。而我国在作为推土机智能化基础的液压传动方面的研究刚刚起步，理论研究 基本处于空白状态。国内个别厂家生产的全液压- 准土机基本上模仿国外产品，但 由于缺乏理论支持，牵引性能、控制性能( 包括舒适性、经济性、动力性等) 远 远不能满足推土机作业工况的要求，其动力性、经济性及控制性能与国外差距甚 远。为此，开展全液压推土机控制系统研究，解决目前国内在全液压推土机控制 系统方面的问题，及控制系统通信方面的问题是很有必要的。 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、横向综合已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”：遁入“以机电一体化”为特征的 发展阶段。在工程机械领域内，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 欧安大学硕士学位论文 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。 推土机是以履带式或轮胎式拖拉机牵引车专用底盘等为主机，配以悬式铲刀 ( 有的还配有松土装置) 的一种自行式铲土运输机械。推土机在作业时，将铲刀 切入土中，依靠行走驱动系统提供前进动力，完成土的切削、推运工作，有时还 可用作填土、平地、松土等工作。推土机的使用能解除繁重的体力劳动，加快施 工进度，保证施工质量。因而它是一种被广泛应用于建筑、筑路、采矿、农业、 林业、国防建设等的基本工程机械。 由于推土机在工作过程中，其工作装置基本处于被动状态，需在行走机构提 供的牵引力下来推进工作，因而称之为牵引型机械。牵引车辆行驶驱动系统全部 承受工作装置的牵引负荷，这是一种变化剧烈，波动大的非平稳随机负荷：牵引 型车辆一般无作业质量的要求，因而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。因而对于推土机这类牵引型机械来说，行驶驱动系统及控 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，由此可见对推土机行驶驱动系统和通信系统的研究是十分必要和重要的。 1 1 1 国内外全液压推土机及其控制系统的研究现状及发展方向“”。”“ 静液压传动早在2 0 世纪就被提出，但一直没有得到广泛应用，主要是成本、 可靠性和性能方面的问题。但近一二十年以来，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。特别是近十年来，在装载机、沥青摊铺机、混凝土摊铺机、混凝土搅拌 运送车、振动压路机与建筑机械特别是小型工程机械上静液压得到了迅速发展， 如日本小型装载机几乎实现了静液压化。对于静液压推土机，国外主要研发商有 利勃海尔、约翰迪尔( j o h nd c e r 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( 主要是液压机械式推土机) 等。 德国利勃海尔是世界上静液压推土机的重要生产商和研究商，其p r 系列推 土机传动每侧履带分别由一个双向斜盘变量泵和变量马达闭式回路驱动，液压泵 与发动机飞轮分动箱相连接，液压马达直接与履带终传动减速器相连接，采用转 速感应功率控制系统使推土机的行走速度与牵引力可实现无级调速，其底盘设计 采用前部的平衡梁和后部左右分置的驱轴连接，形成柔性可摆动的底盘形式，提 高了推土机对工作场地的适应能力和通过性能，底盘的结构实际更多地考虑了降 艮安大学硕士学位论： 低整机重心，增强底盘防护性能，减轻和转移地面对底盘的冲击，其操作方式采 用单手柄控制前进、后退、转向和制动，可实现无级变速。发动机转速由电子油 门和转速感应装置控制，l i t r o n i c 电子智能装置对整个系统和液压装置进行自动 控制。 约翰迪尔( j o h nd e e r e ) 公司开发了建设、林业、园艺工程用h 系列静液压 推土机，取代了1 3 4 k w 以下的g 系列履带推土机，h 系列标准型为4 5 0 ，它装 备加长履带，接地比压低，动力采用非增压或增压型4 缸柴油机，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。 n e w h o l l a n d 公司也是世界上静液压推土机的重要生产商和研究商。它的产 品装备长履带，低重心。带有记速器的静液压传动使得动力能适应推土机工况， 改善推土机直线和斜坡推土能力。 9 0 年代术，日本小松首次在小松i ) 1 5 5 a x 3 推土机使用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，它由机械传动、液压传动、 动力合成三部分组成，发动机输出动力由分动箱分成两路，一路作为机械力，通 过离合器直接传给行星架，另一一路作液压动力，通过液压传动传给太阳轮，然后 动力经差动轮合成后，由齿圈输出，可实现在一挡工作时采用液压传动，使推土 机原地启动平稳，发动机性能好，在其它挡工作时，由于机械和液压传动相结合， 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、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。 h m t 适宜大功率推土机。 目前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，且有了氏足 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丌发全液压推土机，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6 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。 长安大学硕士学位论文 全液压推土机的控制系统，目前常见的有三种形式： 1 ) 利用液压转向的液压驱动系统 这种系统使用单泵单马达系统，在后轴中问安装有液压驱动的转向差速装 置。微控制器实现发动机的极限负载控制、速度和方向、数据处理、推土机工作 状态显示等。 2 ) 具有电子极限负荷控制的液压驱动系统 这种系统具有双泵双马达回路系统，多采用a 4 v g 泵和a 6 v m 、a 6 v e 马 达，发动机转速感应功率控制系统使推土机的行走速度与牵引力可实现无级调 整。微控制器仅实现柴油机整个转速范围内的极限负荷控制，并进行发动机和行 驶数据处理、推土机工作状态参数( 发动机功率、力矩、转速，推土机行驶速度、 爬坡角等) 显示。液压系统实现行走、工作状态下的无级调速和自动控制。这种 系统多应用在中小型，对行驶速度、操作性能和行驶平稳性要求不高的拖拉机中。 3 ) 电子控制液压驱动系统 这种系统也具有双泵双马达回路系统，采用a 4 v g 泵和a 6 v m 、a 6 v e 马达， 微控制器实现柴油机极限负荷控制、驱动速度控制、转向控制、行驶稳定性控制， 并进行数据处理和推土机工作状态参数( 发动机功率、力矩、转速，推土机行驶 速度、爬坡角等) 的显示。这种系统适用于对行驶速度和平稳性有一定要求的行 驶机械上。如摊铺机、扫雪机、机重超过1 0 吨的装载机、推土机等。 通过对以上三种传动控制的分析，结合样机的液压系统，咀双泵双马达系统 为首选传动方案。其具体的选择主要根据所设计推土机的结构特点、性能要求来 确定。 早期的推土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，无论在提高推土机的作业效率上，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，这使得推土机机电液一体化程度大大提 高。在推土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 其控制性能不高且系统工作不太稳定，多用于要求不高的工程建设中，完成搬运 土石方的工作。进入二十世纪九十年代后，出现了以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、工作稳定可靠，因此在 一些高性能推土机中得到了广泛应用，成为目前的主流方向，如c a t e r p i l l a r 、 德国利勃海尔等生产的机型。与模拟式电控系统相比数字式电控系统有以下优 长安大学硕士学位论文 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，若改变控制规律只需改变软件，而不必改变系统 的硬件结构；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。 因此，目前很多推土机行驶液压控制系统采用数字控制器。推土机行驶控制 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 少数这方面的研究也只是处于起步阶段，更不用况成熟的控制产品。国内的推土 机上有很多采用r e x r o t h 公司的m e 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 e r e 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 1 2 研究数字控制器的意义“”。”1 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， 进行运行状念监视，故障自动报警；随着建设领域的扩展，为了避免人员无法触 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问题是控制问题。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。 数字控制器应用于推土机的液压系统，它同时可以应用到工作装置以及工程 长安大学硕士学位论文 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。 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j 下面临新的形式和挑战。在国 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。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旌工水平，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。 卜2 课题的提出 尽管如前所述，液压传动在一些工程机械行走系统中的应用得到了长足的发 展，但是液压传动在如推土机这样的牵引型机械行走系统中的应用仍为薄弱环 节，分析其制约因素，大致有： 1 发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成一个负荷驱动系统时，其最 佳的动力输出不仅取决于个元件本身，而且取决于个元件性能参数之间的合理配 置及控制方式的选择。目前，这方面的研究尚不完善。 2 发动机、变量泵、变量马达、行走机构组成的负荷驱动系统是一个多变 量的复杂系统，为使该系统在典型工况下有最佳的输出特性，必须对该系统进行 合理的控制。目前的研究只是对变量泵和变量马达自身排量的控制，而对由各元 件组成一个系统时为达到系统的最佳性能而采取的控制目标、控制方式研究的还 很不完善。 3 机械在各种工况下应该能给驾驶员一些主要参数的醒目提示，方便驾驶 员近一步的操作，应考虑在控制器上加以显示装置，提供如当前车辆行驶速度、 & 安人学硕士学位论史 系统压力、油液温度等的显示功能。 4 机械在工作过程中有时会出现各种故障，为能进行常见故障诊断，快速 排除故障，应考虑在传感器端将传感器的检测数据进行处理后通过c a n 总线准 确无误的传送到控制器罩进行综合处理。 在系统设计的过程中，通过一些理论及实际分析，在对一些重要的参数如系 统压力，速度，滑转率等确定以后，制定系统的控制方案。结合数字控制器，通 过硬件和软件相结合的方式，提高全液压推土机的动力性和经济性，提高推土机 的作业效率，降低推土机的油耗，实现推土机控制的形象化、智能化。 i - 3 本文研究的主要内容 1 收集和整理与国内外全液压推土机液压行驶与控制系统的研究现状相关 的资料，分析推土机控制系统的控制方式和控制系统的控制功能。 2 针对控制系统的要求提出控制算法，实现推土机控制系统的系统状态信 息的显示、行驶速度的显示、常见故障的诊断和声光显示报警，以及完成在程序 调试阶段通过p c 机的r s 一2 3 2 接口修改部分参数。 3 应用编程软件v i s u mb a s i c6 0 编制上位机p c 端的r s 一2 3 2 接口发送 数据程序，实现上位机p c 与下位机d s p 的通信。 4 选用合理的器件实现数字控制器的硬件设计，包括用于故障诊断的c a n 控制器的硬件设计。 5 完成数字控制器的软件设计，包括用于实现通信功能的下位机i ) s p 接收 数据程序设计和简单故障诊断程序设计。 6 进行相关的实验研究。 长安大学硕士学位沧文 第二章行驶静压驱动系统及控制方案研究 2 1行驶静压驱动系统 2 1 1 液压系统的基本组成与工作原理“”。” 现代工程机械中，由于对机器正、反方向行走及制动等的要求，行走机械液 压传动装置的泵、马达大多采用闭式回路方式。而作为典型牵引型机械的推土机 来说，其行驶驱动系统全部承受工作装置的变化剧烈、波动大的非平稳随机负荷： 为了适应推土机这种载荷特点，使推土机各部分性能得以充分发挥，从而使整个 系统达到匹配，所以履带式全液压推土机常采用由变量泵一变量马达组成的闭式 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，又可改变分别动作， 实现不同半径的转向或原地转向。图2 一l 为典型全液压推土机单边行驶驱动回路 ( 图中省略了变量泵l 和变量马达2 的变量调整机构) 。 图2 - 1 全液压推土机行驶液压驱动系统单边同路 驱动系统由变量泵及其调整机构1 、变量马达及其调整机构2 、安全阀3 、 单向阀4 、补油溢流阀5 、梭阀6 、溢流阀7 、滤油器8 、补油泵9 和油箱等组成， 如图2 1 所示。在这个系统中，变量泵既是液压能源又是主要的控制组件，通过 调整的泵的排量改变泵流量的大小和方向，就可以改变液压马达输出速度的大小 和方向。通过改变马达的排量，使系统在外负荷有较大变化时，液压系统的压力 在较小的范围内变化。系统的最大工作压力由安全阀3 所限定。因为是闭式系统， 在工作中油路的高低压要互换，因此设置了两个安全阀。补油泵9 向系统的低压 管道补油，其作用主要有以下几个：一是通过单向阀4 向系统的低压管道补油， 以补充系统的泄漏量，并可在低压管道中建立起一定的低压，改善泵的吸入性能， 防止气蚀现象和空气渗入系统；二是通过补油路中油液的循环，使系统温度下降： k 安大学硕 学位论文 三是提供变量控制机构的控制压力油路，保证控制系统正常工作。梭阀6 用于系 统适度泄漏，以利于换热。 2 1 2 行驶驱动系统传动方案m ”1 对于行驶系统采用静压驱动方式的推土机来说，其动力传递方式为分置式结 构，即发动机带动左、右变量泵，经左、右液压马达后传递至轮边减速装置，再 经减速后驱动左、右履带使机器行走。其整个动力传递路线如图2 2 所示。 发分_ 。在窭量垂 动一一动 机箱一 一 ，右变量泵 一左全变量马达一左减速装置 一右全变量马达一- 右减速装置 一左驱动轮 一右驱动轮 图2 - 2 全液压推土机行驶驱动系统传动方案 2 1 3 电液比例控s u i t 驶驱动系统液压传动回路“”“”m ” 满足所分析讨论的性能匹配方式及目标的行走机械液压驱动系统自动控制 装置在结构上有多种实现方式。下面以目前应用最方便、适应性更强的电动比例 控制方式来说明。电动控制方式的最大特点是适应能力强，其硬件设施通用性强， 对于各类机械( 牵引型、非牵引型) 都可以使用，设计使用方便，不同的车辆工 况只需要改写控制目标函数即可，且可以达到比较精确的控制，智能化程度高。 电动比例控制对于不同的车辆及其性能要求在实现形式上基本是一样的，所 不同的是其设计者要根据机器的整体性能要求和发动机特性，选择合理的液压元 件组成驱动系统，设定泵和马达的变化起始点的控制参数及变量过程的模式，并 将其作为控制目标函数写入控制器中。对电液比例元件进行实时控制，以实现车 辆达到所要求的工作性能。依靠电子信号处理系统，电液比例液压元件能实现多 种功能并能较方便的调节各类相关参数，得到不同的输入输出特性，因此它的“匹 配柔性”是很好的，原则上说可以覆盖各种变量形式的功能，适应各种机械使用 要求。 电动比例变量泵与电动比例变量马达的工作原理相同，都是通过改变比例电 磁铁的控制电流进行其排量控制，他们一般联合使用。通过转速、压力和位移传 感器检测马达转速、泵转速( 发动机转速) 、系统压力、泵排量、发动机油门位 置等参数，将机器的实时状态参数输入微控制器，微控制器中预先写有车辆需要 达到的控制状态( 目标值参数或目标值方程) ，：侉实时状态参数与目标值参数进 行比较，根据其差值输出相应的控制参数，使发动机、泵、马达进而是车辆的实 时工作状态接近目标值状态。其控制原理如图2 3 所示。 长安大学硕士学位论文 发动机 t 转速传感 油门控制机 一变量泵 r 一t 一变量马达? 一叫行走帆构 | r 电液比例受排量机构 i f 器广- 1控一? 压力传感器 f 制 一 辐。一 器 一f i 聂酝石变排 一1 转速传感器 量机构 图2 - 3 行驶静压驱动系统控制原理图 ( 一) 电动比例变量泵调节原理及实现 液压泵将机械能转换为液压能，是液压系统的动力源。由于结构及功能上的 要求，推土机静压驱动系统的变量液压泵采用轴向柱塞式。比例控制变量泵是利 用电一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排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变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排量的调节，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 4 所示。控制电流 由，。变化至，。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 驴慧( ，- i o ) ( 2 - 1 ) q p 岫 一l j 比例控制式排量调节按照变量活塞和先导阀之图2 - 4 电比例泵的控制特胜 间的反馈方式来分，主要有位移直接反馈和位移一力 反馈式两类。前者相当于变量泵的伺服变量式，即变量活塞跟踪先导阀的位移而 定位。后者是利用变量活塞的位移，通过弹簧反馈使控制阀芯在力平衡条件下关 闭阀口，从而使变量活塞定位。这里给出变量泵位移直接反馈式电液比例控制排 量调节原理，如图2 5 所示。 ( 二) 电动比例变量马达调节原理及实现 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 长安大学硕+ 学位论丈 五 ，丫 ， 一一i 一一 ，一一三一_ - 兰。、 图2 5 泵的位移直接反馈式 电液比例控制排量调节原理图 。 v 一一一2 2 = 王 。，! 二i i j j 一f 一 _ 一，一。一一 图2 - 6 马达的位移一力反馈式 电液比例控制排量调节原理 所要达到的控制性能。这里给出变量马达的位移一力反馈式电液比例控制排量调 节原理，如图2 6 所示。电比例马达的控制特 性如图2 7 所示。控制电流由1 1 变化至，。时马 1 i l 二 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 一 l o “。蚩专( 卜，) ( 2 _ 2 ) 0 一i 一越 在液压变量泵和马达的控制方式确定之 图2 - 7 电比例马达的控制特性 后结合液压驱动系统回路的基本组成及系统的性能匹配的实现方式，可确定满 足系统性能匹配要求的行驶驱动系统的液压传动回路，如图2 8 所示。 、j 要甄：霹 硼? ：二 7 一 ! 一 一一f _ 。 捌； ：j + 鲁毒“d- 一 。一 _ 。 。2 ， _ i 图2 8电液比例控制的行驶驱动系统液压传动同路图 2 - 2控制系统方案研究 浮一 翌一 z 一一墨 ! i 一一 一焉麓 。 _ 长安大学硕十学位论文 控制系统作为推土机的核心部分，决定着推土机的各种性能的优劣，下面详 细分析控制器的基本要求和功能。 2 2 1 控制器的功能4 1 1 ” 在行驶、作业工况下主要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，这部分详细内容请参见全液压推土机控 制系统行驶设计部分；而作为全液压推土机控制系统通信设计部分，其 应满足下列一些要求： 1 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。 2 在推土机行驶过程中，通过马达转速传感器能实时地将推土机的行驶速 度显示于显示面板上。 3 应有c a 3 q 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，进行故障诊断，判断 是否出现故障，若有故障应能进行声、光和显示报警功能。 4 应能通过r s - - 2 3 2 接口与上位机p c ( 利用v b 编写p c 机发送数据程序) 进行通信，实现在调试阶段一些重要参数的修改功能。 5 应具有存储参数的功能，使得下次重新运行时能够将上次已调试好的参 数读入控制器的相应数据存储单元。 2 2 2 控制器的组成。”叫1 。2 1 2 3 1 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，根据控制器的功能要求，我们可以将推 土机的前进后退、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杆或旋钮来控制比例电磁阀的电流大小和通电方向来实 现，在行驶控制中，需要通过软件不断校准来实现，而把在这种控制方式中各种 信息的显示作为状态指示，通过采集数据处理后输入显示模块来实现，控制中的 故障诊断通过c a n 控制器和主控制器结合起来实现。 2 2 2 1 控制器的硬件组成及功能 目前，国内在推土机上的应用大多采用r e x r o t h 公司的m 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 序循环时问；良好的电磁兼容性( e m v ) ：高可靠性；电磁铁电流p w m 输出，滞后 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。 t c 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 k = 安火学硕士学位论文 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 w m 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 w m 输出；模拟量输出； r s 一2 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 6 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、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r s 一2 3 2 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，行 驶速度电位器( 用来设定行驶速度，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) 和紧急制动控制( 开关量) ，串行r s 一2 3 2 数据端口( 数字量) ，c a n 总线输入端口( 数字量) ；主要的输出信号为：p w m 信 号( 控制调节泵、马达排量的比例电磁铁，脉宽调制信号) ，油门调节输出，显 示模块输出等。控制器硬件组成的方框图如图2 9 所示。 图2 - 9 控制器硬件组成的方框图 2 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、数字输出和开关输出) 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。 2 2 3 控制器控制方案研究。“”“”1 2 2 3 1 数字控制器的基本特点 长安大学硕十学位论文 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，通过油门位置、行驶速度、故障信号等基本参数 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， 使推土机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、发 动机功率产生了变化，变量泵、变量马达的排量发生了最恰当的变化量，实现负 载的最佳匹配，且使操作简单化、智能化等。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。 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，控制方式都量化显示，大幅度提高了作业效率。数字技术 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。 22 3 2 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行驶控制功能的控制方案 ( 这部分详细情况请参见全液压推土机控制系统行驶设计部分) 和通信控制 功能的控制方案，如图2 一l o 所示。 从图2 一1 0 所示的控制系统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 w 和y 。( 分别为左变量泵前进、后退比例电磁阀) 、y 。和y 。( 分 别为右变量泵前进、后退比例电磁阀) 以及比例电磁阀y 。和k ( 分别为左右 变量马达比例电磁阀) ，通过调节y 。、y 。、y 。、y 。、y 。和y 。的电流控制泵、 马达的排量，达到控制左右履带行驶速度的目的，确保推土机在任何工况下都有 最佳的工效。控制y m 、y m 、y ”t 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 。和y 。：控制马达排量，实现马达不同速度的转换。电位 器r 。、r t 分别用作行驶速度和转向的控制，驱动手柄电位器r 。确定推土机的行驶 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，推土机所能 达到的速度就是最大行驶速度值( 马达处于最小排量) ，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。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 k = 安人学硕士学位论文 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。 i 茎l2 1 0 控制方案 在数字控制器上专门设置了一个原地转向按钮k 。，在停车状态下按下原地 转向按钮k 。o ，给左右电磁阀通以相同大小的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。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 。 当紧急制动时立即关闭所有的输出信号。 数字控制器通信控制主要包括显示部分、声光报警、数据存储e e p r o m 、串 行r s 一2 3 2 接1 2 1 和c a n 接口。其中显示和声光报警部分主要是配合行驶控制部分 达到操作智能化，人机界面交互性好以及进行故障诊断、显示等；串行r s 一2 3 2 接口主要用于在样机上调试程序时修改一些参数，使软件程序能和具体的样机参 数一致；c a n 总线接口主要用于故障诊断，确保传感器检测的数据准确无误的通 过c a n 总线送入控制器中，进行故障的检测和判断；存储器e e p r o m 用于存储一 些重要参数，以免控制器在断电咀后重要参数丢失。同时为了能对系统的一一些硬 件电路信息进行检测，在控制器上还设置了检测信号输入端r i r 6 。该通信部 分详细叙述请参见第三、四章。 长安大学硕士学位论文 2 2 3 3 主控制器的选择。”。” 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。满足推土机使用功能要求的主控制器的选择范围有工控机，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。 1 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 丌关等；同时可以大量节省外围驱动电路。目前推土机广泛应用电磁阀，这种特 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 w m 、e e p r o m 、比较 输出、捕捉输入、s p i 接v i 、异步串行通讯接1 3 、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，单片机的应用已相当广泛，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e l 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 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，实现整个推土机控制的智能化。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 睦安大学硕j 二学位论文 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，o 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，咀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