工程机械四轮转向控制系统研究

! "."*"/9" 各 轮 转 向 缸 # ": ";"<9% 流 量 伺 服 控 制 阀 = "!!9% 压 力 计 !>9, 单 向 阀 !. "!/9, 细滤器 !*9, 溢流阀 !#9,电动机 !:9, 液压泵 !;9, 粗滤器 !<9,冷却器
图" 电液控制原理图
图!
控制系统原理图
) !; )
,% 四轮转向控制器设计
%&# 控制系统主控制器的选择
控制系统主控制器的选择直接影响到转向控制 系统的性能& 满足工程机械四轮转向功能要求的主控 制器有可编程控制器 (!./%’ 高性能单片机 ’ 工控机 以及数字信号处理 (#0!% 等 ! 这 , 种 形 式 各 有 优 缺 点# (&% 可编程控制器 (!./%#!./ 是专门为顺序生 产过程而设计的控制器 ! 它具有很强的时序性 !抗干 扰能力强 & 但是因为它是一种时序性很强的步序式控 制器 !计算是基于循环扫描和程序执行的方式 !计算 能力不是很强& ()%单片机 # 较易实现数字控制 ! 且成本低 ’ 易开 发 ’尺寸小 ’结构易布置 & 但对于一些比较复杂的控 制!其计算量往往很大 !直接影响控制精度(-故一般用 于下位机和小型控制 ) 而且单片机易受外界干扰 !以 及强电 ’磁场 ’电脉冲甚至恶劣工作环境的影响 & ($% 数字信号处理器 (#0!%# 是一种独特的微处 理器 !它适合于数字信号的处理 !强调运算处理的实 时性 !具有精确 ’可靠性好 ’体积小 ’功耗低等优点 & 1"
-#. 的四轮转向控制器 & 通过
大量室内试验和四轮转向平台 模拟试验证明&该控制器满足四 轮转向要求&转向过程中能够保 证两侧转向轮的转角关系 &而且 整个系统稳定( 响应速度快 (实
图! 控制系统的硬件模块图
时性好 ! , 45 ,
万方数据
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图% 参考文献
转向子程序流程图 干扰措施和可靠性设计#工程机械 !())*$.%
!"$ 控制系统软件可靠性设计
软件设计不仅要满足转向要求 !还要保证软件运 行可靠!故必须对软件采取可靠性设计 & 其中主要包 括# (&%系统的自检与报警 & 一是在系统开机后 !通常 要对系统的初始状态进行检查 !如果有不满足系统要 求的情况存在 !就显示相应的错误代码以供操作人员 及时检查并排除错误 )二是在系统运行的过程中要实 时对系统进行检查 ! 一旦有故障发生 ! 则车辆紧急制 动 !显示相应的故障代码 ! 当故障排除后才Байду номын сангаас以继续 * &2 *
万方数据
公司专门为工业控制设计了一款 !"#$%&’()’%*&+,’’
’;$电源模块设计 ! 该模块是对整个电气控制系 统提供可靠的工作电源! 四轮转向平台提供的是
-#. 芯 片 ! 其 主 要 优 点 有 " 指 令 执 行 速 度 快
#$&/0.1$%片内有 $%2 的 )(,#3 程序存储器 &可扩 展的外部存储器总共 45%’2%两个事件管理模块 67, 和 678&其中带有 "两个通用定时器 &9 个 .:/ 通道 等%4; 个通道的 4& 位 ,<- 转换器 % 控制器局域网络 ’=,>$模块(串行通信接口 #1=0$模块(串行外设接口 #1.0$模块等) 通过以上比较 & 本文采用 !0 公司的 !/1$%&()’
#
$% 控制系统可靠性设计
!"# 控制系统硬件可靠性设计
在控制系统中 !干扰源主要有内部干扰源和外部 干扰源" 内部干扰源主要有 #$&% 设计时元器件布局不合 理’选用的元器件质量较差(致使内部信号相互串扰 & $)%线路中存在的容性元件所引起的寄生振荡 & $$%数 字地 ’模拟地和系统地处理不当等 " 外部干扰源主要有 #(&% 控制系统供电电源波动 及高次谐波等的干扰 &()%有*无+触点开关的启停形成 的高*低+频干扰&($%其它设备或空中电场通过电容耦 合串入控制系统而引起的干扰 & (,%相邻信号线绝缘 降低(通过导线电阻引起的干扰等 & 通常!消除或减小控制系统内部干扰源的影响采 用的措施有 #(&% 重视每个集成块电源管脚边与地相 连的去耦电容的作用 &()%注意电源地的设计 & 一般控 制系统中除了强电 ’弱电地以外 !还有模拟地 ’数字地 以及电源地 !一般这些电源地要分别相连 !尤其是模 拟地和数字地要分开 !这样在控制器进行采样时可以 减小外部干扰 !提高采样精度 & ($%印刷电路板的设计 要考虑抗干扰 ! 这可以参考电路板的一些设计原则 & 通常内部系统与外部系统的输入 ’输出信号也应该考 虑添加光电隔离元件以减少干扰 & (,%尽量采用可靠 性高的元器件 & 消除控制系统外部干扰源影响的措施有 #(&% 应 用光电隔离技术 & ()%应用双绞线连接 & ($%注意信号 传输过程中的衰减 !并灵活采用调制方式& (,%要考虑 工程机械本身工作的特点 !注意防振动 ’防潮湿 ’防高 温低温等&
., 转向系统电液控 制原理
图 ! 为四轮转向 系统的电液控制原理 图( 其工作原理 为 $ 当 方向盘偏转后 ! 转向信 号经过控制器分析计 算! 判断转向信号的控
万方数据
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关键词 ! 四轮转向 抗干扰
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转向控制
制方向以及转角 !输出所需要的占空比 012 信号至 流量伺服电磁阀 !控制阀的开口大小( 同时!定量泵提 供的供油系统通过调节电磁阀的开口大小以调节转 向液压缸的流量和压力 !从而实现各个转向轮的偏转 角度的控制 ( 该系统采用并联油路 !/ 个车轮的转向 可以独立控制 ( 为了提高系统的控制精度 ! 通常采用闭环控制 ! 四轮转向控制系统原理如图 . 所示 (其中采用 034 算 法或模糊 034 算法 ! 通过 256758 软件仿真得到算法
B2A*.>?C./>;,4A0 作为主控制器 ! 设计了用于低速大功率驱动车辆四轮转向控制器 ! 通过室内试验与四
数准确 (
轮转向模拟试验台试验 ! 证明该系统能够保证转向过程中两侧车轮间的偏转关系 ! 控 制 系 统 稳 定 ! 控 制 参
!" 对工程机械转向控制系统的要求
通常 !工程机械行驶速度较低 !高速行驶车辆的 车速一般在 #$%&’&() 左右 ! 低速行驶车辆如沥青摊 铺机 "铣刨机的车速一般在 *+#,&-&() 左右 ! 而且车 辆一般自带紧急制动装置 !所以在设计用于低速大功 率驱动车辆的四轮转向控制器时 !重点只考虑转向问 题# 控制系统应具备下列基本功能 $%!&将车轮偏转到 一定角度 ’%.&具有前轮转向 " 后轮转向 " 全轮转向以 及蟹行转向功能 ’%*&偏 转过程中应保证各车轮 之间的偏转角度关系 ’ %/& 提高响应特性和响 应一致性 ’%#&在转向过 程中! 有故障发生时能 够进行紧急制动 ! 并显 示相应的故障代码供操 作人员及时排除故障 (
7&-1. 的 ,<- 采样电压输入范围为 &!$@$’7&故设计
了电压转换电路! ’?$(6- 显示模块设计 ! 该模块主要用于车辆在 开机后自检结果显示 & 以及转向过程中的状态显示 等&为故障诊断与排除提供依据 !
?’ 结论
通过分析工程机械四轮转向 控制系统设计过程中抗干扰及 可靠性设计方法 & 设计了基于
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#
A4%7 的蓄电池直流电源 & 必须通过电路转换输出 A?7 ’-1. 工作电压 $(A$B$7 ’,<- 转换器基准电压 $
电压(传感器工作电压等 ! ’+$通信模块设计 ! 主要用于故障诊断 (设置与更 改显示器工作电压和过程显示 !
"%! 控制器软件设计
对于工程机械控制系统软件设计 &通常将程序设 计成多个子程序模块& 其中包括系统初始化子程序 ( 系统标定子程序 (自检子程序 (显示子程序 (按键扫描 子程序(,<- 采样子程序 (中断子程序等 ! 设计的程序要实现以下功能 "’4$ 系统的状态代 码显示 %’%$ 系统自检功能 %’$$ 接收方向盘的转角信 号 %’*$接收模式选择信号 %’?$接收车轮的偏转信号 % ’;$实现所选用的控制算法 %’+$转向错误警告 %’9$车 轮偏转位置的算法修正等 ! 在对系统转向进行控制时 &控制的重点是转向过 程中两侧车轮之间的偏转关系始终满足车辆的转向 特性要求! 考虑到工程车辆属于低速行驶车辆 &机械 和液压系统的反应速度相对于处理器来说较慢 &再加 上液压系统有一定的滞后时间 &而且我们在程序设计 的时候还必须考虑左右两车轮的转向关系 &以及要满 足转角大 (时间长 & 转角小 ( 时间短的规律 & 所以在系 统软件设计时采用了一种简单的分时操作 &将系统的 时间分成以 4<$&’C 为单位的时间片 &系统每隔一个时 间片的时间对各项数据进行处理 ! 这样 &将内外侧车 轮转向时需要的占空比做成两个表格 &在编写程序时 只需要查表就可以解决 ! 转向子程序流程图如图 * 所 示!
!""王红梅#基于 $%& 的四轮转向控制系统研究’长安大学
硕士学位论文 !())*
3++ 杨波 ! 邓伟珍 #+&/2 系统的抗干扰措施 #+ 长春理工大学学
报 !())($.%
(+"刘和平等’,-%.()/0(*)1+$%& 结构 "原理及应用’北京 #
! " $ %
的参数 !在软件设计中调用 !"# 算法 ! 以解决响应一 致性的问题"
运行 & ()%应用数字滤波& 一般信号采集通道所受的各 种电磁干扰比较严重 ! 尽管在硬件设计中会采用屏 蔽 ’接地 ’滤波 ’去耦等手段降低干扰 ! 但是难以彻底 排除 !所以通常在软件设计中采用数字滤波的方法以 降低干扰 & 对一点数据连续采样多次(计算其平均值( 以平均值作为点的采样结果 !这样可以减少系统的随 机干扰对采集结果的影响 & 根据干扰造成采样数据偏 大或偏小的情况(对一个采样点连续采集多个信号(对 采样值进行比较 ( 取中值作为该点的采集结果 ! 以便 达到提高采样精度的目的 & ($% 采用循环检测的方式控制系统的输入输出 & 对于输入为按键 ’输出为电磁阀等易受外部干扰的元 件来说 ! 很容易由于外部的微小干扰而产生误操作 ! 故一般采用循环检测的方式判断它们的输入输出 & (,%采用看门狗技术& 在恶劣的工作环境下程序 长期运行可能失控 !有可能造成程序的非正常运行或 进入死循环& 看门狗实际上就是一个可靠的硬件计数 器 !当系统出现故障 ’程序跑飞或进入死循环时(-看门 狗就会计数溢出 ! 对系统进行重新置位或复位 ( 使系 统恢复正常运行 !这样就保证了系统运行的可靠性 &
%*&+,’-1. 作为系统的主控制器* "#$ 控制器硬件设计
对于工程机械车辆 & 控制系统基本包括几个模 块"模拟量输入模块 %开关量输入模块 %开关量输出模 块 % 反馈通道模块设计 %(6- 显示模块设计 % 电源模 块设计 %通信模块设计等 * 图 $ 为控制系统的硬件模 块图 * ’4$模拟量输入模块* 用于采集模拟信号 &并进行 分析处理 * ’%$开关量输入模块* 用于车辆转向模式选择"前 轮转向 +后轮转向 (蟹行转向等 ! ’$$开关量输出模块 ! 采用系统输出的 .:/ 信 号控制电磁阀 & 由于每一个电磁阀上有两个电磁铁 & 故设计了 4 个一路 .:/ 信号分两路的电路 &来单独 控制每个电磁铁! ’*$反馈通道模块设计! 采集传感器的实时反馈 信号 &将传感器的反馈信号和方向盘的转角进行实时 比较 &以提高控制精度 ! 但传感器的反馈电压为 &!?’
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长安大学工程机械学院 王红梅 司癸卯 焦生杰
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, , 摘
要 $ 介绍以微控制器为主控制器的工程机械控制系统在硬件 " 软件设计等方面应采取的抗干扰措 施 及 可 靠 性 设 计 方 法 ( 根 据 四 轮 转 向 系 统 对 转 向 的 要 求 ! 比 较 单 片 机 "0?@ 及 4A0 的 优 缺 点 ! 选 择