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旋挖钻机数字控制系统 |
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作者：北京航空航天大学 卫进 |
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摘要：介绍了一种专门为旋挖钻机的垂直起竖和井深测量而设计的控制系统的原理、实现方法和软硬件构成等。该系统基于高性能八位微处理器Mega128而设计，集成了垂直度检测、井深测量、垂直度控制和操作指示等功能。
关键词：旋挖钻机 电液比例控制 Mega128 PID PWM
旋挖钻机是一种用于建筑基础工程中成孔作业的施工机械。它是以履带为支承的回转斗式旋挖钻孔机械，其工作装置由动力头、伸缩钻杆、加压装置和液压系统等组成。
旋挖钻机的控制属于一般工业自动化应用领域，它要求一种廉价、节能、维护方便、适用于大功率控制及具有一定控制精度的控制技术，所以采用电液比例控制。它能够接受模拟信号和数字信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制。电液比例控制系统[1]有数字控制系统、脉宽调节(PWM)控制系统等。
旋挖钻机钻桅的垂直度直接影响到所钻孔的质量，对于提高工程机械作业效率有着很重要的意义，保证其在要求的范围内是控制系统应完成的主要任务。所以旋挖钻机的控制方案为：根据操作员的指令，利用电液比例控制系统控制液压缸运动，实现钻具安全平稳起竖，进而保证旋挖钻机钻桅的垂直度在要求范围内。同时，精确的井深测量也能极大提高工作效率。所以，它也是控制系统应完成的任务。
目前，国内外旋挖钻控制系统的特点是其控制器的所有控制规律处理、输入/输出信号波形处理和功率放大等都由模拟电路进行，因此迫切需要改进。而旋挖钻机控制的数字化正是目前提高旋挖钻机工作性能的必然要求和发展趋势。
1 计算机控制系统方案
控制系统方案如图1所示。系统监测倾角传感器信号、比例阀反馈信号、液压缸位置传感器信号和操纵杆发来的指令，根据控制算法产生控制数据，控制数据经过转换算法产生控制量(PWM信号)，并通过驱动电路控制电液比例阀，采用反馈控制技术实现两个液压通道的精确同步控制，克服了钻具起竖过程中由于两个比例方向阀参数不一致而造成的歪斜。
图1 旋挖钻机控制系统结构图
旋挖钻机的正常工作还需要许多辅助系统，在本控制系统中包含有井深测量控制系统、故障检测系统和保护控制系统。为满足不同旋挖钻机的控制需要，本系统还具有控制参数设置和旋挖钻机工作过程参数显示等功能。
2 主要技术指标
·垂直度(圆周)误差<0.2°，也就是在两个正交轴上，倾角误差的平方和的平方根小于0.2°；井深测量误差可控制在小于10cm的范围内。
·提供稳定的±5V和±10V电压接口，以满足操纵杆和传感器的用电要求。
·提供八路开关量输出信号，用于系统保护、告警和状态指示。
·可控制两个三位四通比例换向阀，驱动电流大于2A。
·提供RS232接口，用于系统参数设定、故障检测，并提供CAN总线接口，用于系统组网。
3 系统硬件配置
该控制系统主要由电源、传感器供电电源、模拟信号处理、单片机、RS232接口、CAN总线接口、PWM功率放大、数字输入输出、计数输入、液晶显示器接口、数字键盘接口等部分组成，其配置框图如图2所示。
图2 系统配置框图
3．1 电源部分
电源部分结构图如图3所示，包括滤波、电源反接保护、过压状态输出、欠压状态输出、+5V稳压输出、±12V稳压输出、速熔保险等电路。应选用开关型稳压模块，以实现高输入电压下的低功耗稳压输出。本系统使用LM2575HVT-5.0和LM2575HVT-12.0电源模块。电压的输出要有顺序，首先输出+5V电压，然后在系统控制下输出±12V电压。 
图3 电源部分结构图
电源反接保护电路使用整流电桥。PWM功率放大器的电源要经过滤波器、速熔保险和电源反接保护电路。过压和欠压状态输出使用比较器实现，考虑了暂态问题。
3.2 传感器供电电源
传感器的供电由以下几部分组成：倾角传感器直接使用电源供给的+12V稳压直流电；霍耳传感器直接使用+5V电源提供的稳压直流电；操纵杆和液压缸位置传感器使用的是高稳定度的±5V和±10V电源。因此，传感器供电电源主要为由基准电源和运算放大器组成的高稳定度的±5V和±10V电源。本系统中的运算放大器选用低噪声、高精度的TS524I运算放大器。
3．3 模拟信号处理部分
模拟信号经本电路处理后，送入单片机的A/D转换器和数字输入端。为提高单片机系统端口的使用效率，本系统采用模拟开关(CD4053B)对比例方向阀反馈信号和单片机PWM输出信号进行切换，以减少A/D转换器输入端口和PWM输出端口的开销。其主要组成框图如图4所示。
图4 模拟信号处理部分功能框图
3．4 PWM功率放大器
PWM功率放大器是驱动电液比例方向阀的重要部件，为保障其可靠工作，又具备完善的保护措施，在设计中采用一种专用的PWM功率放大模块BTS707。该模块不仅具有两路PWM输出来驱动两个三位四通比例换向阀，而且具有完善的保护功能和断路检测功能，可以及时发现电磁阀线圈故障，以便及时采取紧急处理措施。取样电阻引回的反馈信号用于构成串联负反馈回路，以稳定通过电磁阀线圈的电流，避免线圈温度变化造成的驱动电流波动。
3．5 CAN总线接口
目前集成有CAN总线接口的单片机很多，一般均集成有1～4个CAN控制器，但这些芯片成本太高，本系统采用独立的CAN控制器SJA1000并配合PCA82C250实现CAN2.0接口功能，其电路原理图见图5。考虑到抗干扰能力的需要，图中的VB5是由+5V隔离电源提供的。
图5 CAN总线接口电路
3．6 RS232接口
该接口的用途主要是提供人机接口，实现参数设定、故障检测等功能。可直接利用单片机的UART口，配以RS232电平转换芯片，方便地构成RS232接口。为保证系统产生准确的常用波特率，需要精心选择单片机的时钟频率。RS232电平转换电路采用MAX232A芯片[4]。
3．7 液晶图形显示器接口
液晶显示器采用青云仪器厂生产的LCM320240ZK型带汉字库的液晶模块，并配以照明电源、对比度调整电路等。为了提高控制器的工作效率和降低编程难度，并考虑到现场数据传输距离的限制，本系统使用一个专门的微处理器控制LCD。两块处理器之间的通讯通过SPI串行通讯接口实现。
3．8 数字键盘接口
数字键盘接口用于控制系统进入不同工作状态，为简化设计，同时充分利用单片机提供的I2C兼容接口，该数字键盘采用ZLG7290芯片进行设计，各功能键及状态指示均在该芯片控制下。利用好ZLG7290提供的中断信号，可提高系统响应速度，降低编程难度。
3．9 单片机、数字输入输出接口及计数器接口
单片机采用ATMEL公司的MEGA128芯片，针对本系统中的应用，它有以下优点：
(1) 采用了先进的RISC结构，工作于16MHz时性能高达16MIPS。
(2) 具有八路10位ADC，最高分辨率时采样率高达15kSPS。
(3) 可提供两路8位PWM控制信号和六路分辨率可编程的PWM控制信号。
(4) 丰富的定时器资源，具有四个硬件定时器。
(5) 提供I2C总线控制模块、两个UART口和SPI串行接口[2]。
在系统设计上，考虑了ISP编程接口。在初期设计的系统中，为了系统调试方便，采用了JTAG调试接口。
数字输入输出接口直接利用单片机的I/O口实现，计数器接口接收安装在随钻细钢丝绳滑轮上的霍耳传感器的脉冲信号，根据该信号利用滑轮的转数来计算井深，这里直接利用单片机的计数功能。
4 控制系统软件
整个控制器、传感器和液晶管理控制器所使用的微控制器都是工业级的。为开发方便，使用同一系列不同配置的微控制器，所有程序开发都使用C语言进行，开发软件使用ICC AVR C6.28 软件包，调试器使用ATMEL公司的JTAGE ICE，调试环境使用AVR Studio 4.10。
根据控制系统及比例方向阀的特点和需求进行分析可知，系统软件需要完成的任务包括：数据检测(包括A/D转换、垂直度和位置指令脉宽测量等)、键盘扫描、LCD显示、控制算法和PWM输出、参数设定等。这些功能的实现需由mega128的下列资源来实现：通用I/O、 ADC、T0~T3定时器、中断系统等。
由于管理LCD显示的是单独的微控制器，所以只需将液晶显示模块所用功能编写成例程，控制器只发送控制命令，液晶控制器接收命令后对显示模块进行具体控制即可。这里只介绍主控制器的软件实现。
4．1 主程序
主程序首先要实现系统初始化，包括端口初始化、定时器初始化、中断设置等。
主程序处于循环状态，主要完成参数检测和向LCD控制器发送显示状态命令等，直到发出关闭指令为止。
4．2 中断控制
控制软件要实现多个任务。对各个任务的调度和管理以及重要任务的实时执行，就需要对各个中断精确规划和协调。
控制软件中共用到定时器中断、外部中断、UART0中断、I2C总线中断、SPI中断、A/D转换完成中断等中断。其功能如下：
(1)T0定时器溢出中断用于实现采样周期定时。
(2)T2定时器溢出中断用于对测量井深的霍耳传感器进行计数溢出中断。
(3)外部中断用于实现转向的检测和操纵杆锁定信号检测。
(4)A/D 转换完成中断用于操纵杆指令和垂直度的转换。
(5)UART0中断用于控制系统，使之通过串口与PC机进行数据交换。
(6)I2C总线中断用于通过中断实现总线协议，扫描键盘并完成数据传送。
(7) SPI中断用于主控制器向LCD控制器发送显示命令。
并不是每个中断都自始至终发挥作用，而是在不同阶段，有些中断使能，其余禁止，且同一中断在旋挖钻机工作的不同阶段，其优先级也会有所不同。通过灵活的中断设置与协调，可实现实时任务和非实时任务的调度管理。
4.3 控制规律设计
为了迅速、稳定、可靠地完成旋挖钻机垂直起竖控制，整个控制过程分为手动控制和自动搜寻控制。
4．3.1 手动控制
手动控制采用开环控制使驱动旋挖钻机的两个液压缸在操纵员的控制下满足如下三种不同工作要求：当操纵杆只有俯仰指令而无滚转指令时，其中一个液压缸的运动跟随另一个液压缸的运动；当操纵杆只有滚转指令而无俯仰指令时，两个液压缸作差动运动；当操纵杆既有俯仰指令又有滚转指令时，则两个液压缸的运动是上述两个运动的合成运动。
4.3.2 自动控制
当手工操作钻桅进入自动搜寻区域时，则按下操纵杆上的自动搜寻按钮，单片机系统便断开操纵杆指令，利用角位置传感器信号控制液压缸运动，并按正交搜索策略搜索。整个控制在T0的中断中实现。程序流程图见图6。
图6 T0中断程序流程图
4．4 PID 控制算法
为了方便更改PID控制参数，加快调试参数的效率，在进入闭环控制后，通过外部按键进入参数设定状态，此时暂时退出闭环控制；然后通过按键分别设置Kp、Ki、Kd等参数，当新的参数投入使用后，重新进入闭环工作状态。PID控制算法程序流程图见图7。
图7 PID控制算法程序流程图
参考文献
1黎启柏.电液比例控制与数字控制系统.北京：机械工业出版社，1997
2丁化成，耿德根，力君凯.AVR单片机应用设计.北京：北京航空航天大学出版社，2002
3 沈 文， Eagle lee， 詹卫前. AVR单片机C语言开发入门指导.北京：清华大学出版社，2003
4 求是科技.单片机典型模块设计实例导航.北京：人民邮电出版社，2004 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/20/2006) |
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