| 摘 要：介紹了一種專門為旋挖鉆機(jī)的垂直起豎和井深測(cè)量而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的原理、實(shí)現(xiàn)方法和軟硬件構(gòu)成等。該系統(tǒng)基于高性能八位微處理器Mega128而設(shè)計(jì),集成了垂直度檢測(cè)、井深測(cè)量、垂直度控制和操作指示等功能。 |
| 關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī) 電液比例控制 Mega128 PID PWM |
旋挖鉆機(jī)是一種用于建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械。它是以履帶為支承的回轉(zhuǎn)斗式旋挖鉆孔機(jī)械,其工作裝置由動(dòng)力頭、伸縮鉆桿、加壓裝置和液壓系統(tǒng)等組成。 旋挖鉆機(jī)的控制屬于一般工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域,它要求一種廉價(jià)、節(jié)能、維護(hù)方便、適用于大功率控制及具有一定控制精度的控制技術(shù),所以采用電液比例控制。它能夠接受模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),使輸出的流量或壓力連續(xù)成比例地受到控制。電液比例控制系統(tǒng)[1]有數(shù)字控制系統(tǒng)、脈寬調(diào)節(jié)(PWM)控制系統(tǒng)等。 旋挖鉆機(jī)鉆桅的垂直度直接影響到所鉆孔的質(zhì)量,對(duì)于提高工程機(jī)械作業(yè)效率有著很重要的意義,保證其在要求的范圍內(nèi)是控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)。所以旋挖鉆機(jī)的控制方案為:根據(jù)操作員的指令,利用電液比例控制系統(tǒng)控制液壓缸運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鉆具安全平穩(wěn)起豎,進(jìn)而保證旋挖鉆機(jī)鉆桅的垂直度在要求范圍內(nèi)。同時(shí),精確的井深測(cè)量也能極大提高工作效率。所以,它也是控制系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)。 目前,國(guó)內(nèi)外旋挖鉆控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是其控制器的所有控制規(guī)律處理、輸入/輸出信號(hào)波形處理和功率放大等都由模擬電路進(jìn)行,因此迫切需要改進(jìn)。而旋挖鉆機(jī)控制的數(shù)字化正是目前提高旋挖鉆機(jī)工作性能的必然要求和發(fā)展趨勢(shì)。 1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案 控制系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)傾角傳感器信號(hào)、比例閥反饋信號(hào)、液壓缸位置傳感器信號(hào)和操縱桿發(fā)來(lái)的指令,根據(jù)控制算法產(chǎn)生控制數(shù)據(jù),控制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換算法產(chǎn)生控制量(PWM信號(hào)),并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制電液比例閥,采用反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)液壓通道的精確同步控制,克服了鉆具起豎過(guò)程中由于兩個(gè)比例方向閥參數(shù)不一致而造成的歪斜。 旋挖鉆機(jī)的正常工作還需要許多輔助系統(tǒng),在本控制系統(tǒng)中包含有井深測(cè)量控制系統(tǒng)、故障檢測(cè)系統(tǒng)和保護(hù)控制系統(tǒng)。為滿足不同旋挖鉆機(jī)的控制需要,本系統(tǒng)還具有控制參數(shù)設(shè)置和旋挖鉆機(jī)工作過(guò)程參數(shù)顯示等功能。  圖1旋挖鉆機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 主要技術(shù)指標(biāo) ·垂直度(圓周)誤差<0.2°,也就是在兩個(gè)正交軸上,傾角誤差的平方和的平方根小于0.2°;井深測(cè)量誤差可控制在小于10cm的范圍內(nèi)。 ·提供穩(wěn)定的±5V和±10V電壓接口,以滿足操縱桿和傳感器的用電要求。 ·提供八路開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào),用于系統(tǒng)保護(hù)、告警和狀態(tài)指示。 ·可控制兩個(gè)三位四通比例換向閥,驅(qū)動(dòng)電流大于2A。 ·提供RS232接口,用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、故障檢測(cè),并提供CAN總線接口,用于系統(tǒng)組網(wǎng)。 3 系統(tǒng)硬件配置 該控制系統(tǒng)主要由電源、傳感器供電電源、模擬信號(hào)處理、單片機(jī)、RS232接口、CAN總線接口、PWM功率放大、數(shù)字輸入輸出、計(jì)數(shù)輸入、液晶顯示器接口、數(shù)字鍵盤接口等部分組成,其配置框圖如圖2所示。 3．1 電源部分 電源部分結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,包括濾波、電源反接保護(hù)、過(guò)壓狀態(tài)輸出、欠壓狀態(tài)輸出、+5V穩(wěn)壓輸出、±12V穩(wěn)壓輸出、速熔保險(xiǎn)等電路。應(yīng)選用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓模塊,以實(shí)現(xiàn)高輸入電壓下的低功耗穩(wěn)壓輸出。本系統(tǒng)使用LM2575HVT-5.0和LM2575HVT-12.0電源模塊。電壓的輸出要有順序,首先輸出+5V電壓,然后在系統(tǒng)控制下輸出±12V電壓。 電源反接保護(hù)電路使用整流電橋。PWM功率放大器的電源要經(jīng)過(guò)濾波器、速熔保險(xiǎn)和電源反接保護(hù)電路。過(guò)壓和欠壓狀態(tài)輸出使用比較器實(shí)現(xiàn),考慮了暫態(tài)問(wèn)題。  圖2 系統(tǒng)配置框圖  圖3 電源部分結(jié)構(gòu)圖 3．2 傳感器供電電源 傳感器的供電由以下幾部分組成:傾角傳感器直接使用電源供給的+12V穩(wěn)壓直流電;霍耳傳感器直接使用+5V電源提供的穩(wěn)壓直流電;操縱桿和液壓缸位置傳感器使用的是高穩(wěn)定度的±5V和±10V電源。因此,傳感器供電電源主要為由基準(zhǔn)電源和運(yùn)算放大器組成的高穩(wěn)定度的±5V和±10V電源。本系統(tǒng)中的運(yùn)算放大器選用低噪聲、高精度的TS524I運(yùn)算放大器。 3．3 模擬信號(hào)處理部分 模擬信號(hào)經(jīng)本電路處理后,送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字輸入端。為提高單片機(jī)系統(tǒng)端口的使用效率,本系統(tǒng)采用模擬開(kāi)關(guān)(CD4053B)對(duì)比例方向閥反饋信號(hào)和單片機(jī)PWM輸出信號(hào)進(jìn)行切換,以減少A/D轉(zhuǎn)換器輸入端口和PWM輸出端口的開(kāi)銷。其主要組成框圖如圖4所示。 3．4 PWM功率放大器 PWM功率放大器是驅(qū)動(dòng)電液比例方向閥的重要部件,為保障其可靠工作,又具備完善的保護(hù)措施,在設(shè)計(jì)中采用一種專用的PWM功率放大模塊BTS707。該模塊不僅具有兩路PWM輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)三位四通比例換向閥,而且具有完善的保護(hù)功能和斷路檢測(cè)功能,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁閥線圈故障,以便及時(shí)采取緊急處理措施。取樣電阻引回的反饋信號(hào)用于構(gòu)成串聯(lián)負(fù)反饋回路,以穩(wěn)定通過(guò)電磁閥線圈的電流,避免線圈溫度變化造成的驅(qū)動(dòng)電流波動(dòng)。 3．5 CAN總線接口 目前集成有CAN總線接口的單片機(jī)很多,一般均集成有1～4個(gè)CAN控制器,但這些芯片成本太高,本系統(tǒng)采用獨(dú)立的CAN控制器SJA1000并配合PCA82C250實(shí)現(xiàn)CAN2.0接口功能,其電路原理圖見(jiàn)圖5�？紤]到抗干擾能力的需要,圖中的VB5是由+5V隔離電源提供的。 |
