旋挖鉆機數(shù)字控制系統(tǒng)

旋挖鉆機是一種用于建筑基礎工程中成孔作業(yè)的施工機械。它是以履帶為支承的回轉斗式旋挖鉆孔機械,其工作裝置由動力頭、伸縮鉆桿、加壓裝置和液壓系統(tǒng)等組成。

旋挖鉆機的控制屬于一般工業(yè)自動化應用領域,它要求一種廉價、節(jié)能、維護方便、適用于大功率控制及具有一定控制精度的控制技術,所以采用電液比例控制。它能夠接受模擬信號和數(shù)字信號,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)、脈寬調節(jié)(pwm)控制系統(tǒng)等。

旋挖鉆機鉆桅的垂直度直接影響到所鉆孔的質量,對于提高工程機械作業(yè)效率有著很重要的意義,保證其在要求的范圍內是控制系統(tǒng)應完成的主要任務。所以旋挖鉆機的控制方案為:根據(jù)操作員的指令,利用電液比例控制系統(tǒng)控制液壓缸運動,實現(xiàn)鉆具安全平穩(wěn)起豎,進而保證旋挖鉆機鉆桅的垂直度在要求范圍內。同時,精確的井深測量也能極大提高工作效率。所以,它也是控制系統(tǒng)應完成的任務。

目前,國內外旋挖鉆控制系統(tǒng)的特點是其控制器的所有控制規(guī)律處理、輸入/輸出信號波形處理和功率放大等都由模擬電路進行,因此迫切需要改進。而旋挖鉆機控制的數(shù)字化正是目前提高旋挖鉆機工作性能的必然要求和發(fā)展趨勢。

1 計算機控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)監(jiān)測傾角傳感器信號、比例閥反饋信號、液壓缸位置傳感器信號和操縱桿發(fā)來的指令,根據(jù)控制算法產(chǎn)生控制數(shù)據(jù),控制數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換算法產(chǎn)生控制量(pwm信號),并通過驅動電路控制電液比例閥,采用反饋控制技術實現(xiàn)兩個液壓通道的精確同步控制,克服了鉆具起豎過程中由于兩個比例方向閥參數(shù)不一致而造成的歪斜。

旋挖鉆機的正常工作還需要許多輔助系統(tǒng),在本控制系統(tǒng)中包含有井深測量控制系統(tǒng)、故障檢測系統(tǒng)和保護控制系統(tǒng)。為滿足不同旋挖鉆機的控制需要,本系統(tǒng)還具有控制參數(shù)設置和旋挖鉆機工作過程參數(shù)顯示等功能。

2 主要技術指標

·垂直度(圓周)誤差<0.2°,也就是在兩個正交軸上,傾角誤差的平方和的平方根小于0.2°;井深測量誤差可控制在小于10cm的范圍內。
·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。
·提供八路開關量輸出信號,用于系統(tǒng)保護、告警和狀態(tài)指示。
·可控制兩個三位四通比例換向閥,驅動電流大于2a。
·提供rs232接口,用于系統(tǒng)參數(shù)設定、故障檢測,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、模擬信號處理、單片機、rs232接口、can總線接口、pwm功率放大、數(shù)字輸入輸出、計數(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

電源部分結構圖如圖3所示,包括濾波、電源反接保護、過壓狀態(tài)輸出、欠壓狀態(tài)輸出、+5v穩(wěn)壓輸出、±12v穩(wěn)壓輸出、速熔保險等電路。應選用開關型穩(wěn)壓模塊,以實現(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。

電源反接保護電路使用整流電橋。pwm功率放大器的電源要經(jīng)過濾波器、速熔保險和電源反接保護電路。過壓和欠壓狀態(tài)輸出使用比較器實現(xiàn),考慮了暫態(tài)問題。

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電源和運算放大器組成的高穩(wěn)定度的±5v和±10v電源。本系統(tǒng)中的運算放大器選用低噪聲、高精度的ts524i運算放大器。

3．3 模擬信號處理部分

模擬信號經(jīng)本電路處理后,送入單片機的a/d轉換器和數(shù)字輸入端。為提高單片機系統(tǒng)端口的使用效率,本系統(tǒng)采用模擬開關(cd4053b)對比例方向閥反饋信號和單片機pwm輸出信號進行切換,以減少a/d轉換器輸入端口和pwm輸出端口的開銷。其主要組成框圖如圖4所示。

3．4 pwm功率放大器

pwm功率放大器是驅動電液比例方向閥的重要部件,為保障其可靠工作,又具備完善的保護措施,在設計中采用一種專用的pwm功率放大模塊bts707。該模塊不僅具有兩路pwm輸出來驅動兩個三位四通比例換向閥,而且具有完善的保護功能和斷路檢測功能,可以及時發(fā)現(xiàn)電磁閥線圈故障,以便及時采取緊急處理措施。取樣電阻引回的反饋信號用于構成串聯(lián)負反饋回路,以穩(wěn)定通過電磁閥線圈的電流,避免線圈溫度變化造成的驅動電流波動。

3．5 can總線接口

目前集成有can總線接口的單片機很多,一般均集成有1～4個can控制器,但這些芯片成本太高,本系統(tǒng)采用獨立的can控制器sja1000并配合pca82c250實現(xiàn)can2.0接口功能,其電路原理圖見圖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。

3．6 rs232接口

該接口的用途主要是提供人機接口,實現(xiàn)參數(shù)設定、故障檢測等功能?？芍苯永脝纹瑱C的uart口,配以rs232電平轉換芯片,方便地構成rs232接口。為保證系統(tǒng)產(chǎn)生準確的常用波特率,需要精心選擇單片機的時鐘頻率。rs232電平轉換電路采用max232a芯片[4]。

3．7 液晶圖形顯示器接口

液晶顯示器采用青云儀器廠生產(chǎn)的lcm320240zk型帶漢字庫的液晶模塊,并配以照明電源、對比度調整電路等。為了提高控制器的工作效率和降低編程難度,并考慮到現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸距離的限制,本系統(tǒng)使用一個專門的微處理器控制lcd。兩塊處理器之間的通訊通過spi串行通訊接口實現(xiàn)。

3．8 數(shù)字鍵盤接口

數(shù)字鍵盤接口用于控制系統(tǒng)進入不同工作狀態(tài),為簡化設計,同時充分利用單片機提供的i2c兼容接口,該數(shù)字鍵盤采用zlg7290芯片進行設計,各功能鍵及狀態(tài)指示均在該芯片控制下。利用好zlg7290提供的中斷信號,可提高系統(tǒng)響應速度,降低編程難度。

單片機采用atmel公司的mega128芯片,針對本系統(tǒng)中的應用,它有以下優(yōu)點:

(1) 采用了先進的risc結構,工作于16mhz時性能高達16mips。
(2) 具有八路10位adc,最高分辨率時采樣率高達15ksps。
(3) 可提供兩路8位pwm控制信號和六路分辨率可編程的pwm控制信號。
(4) 豐富的定時器資源,具有四個硬件定時器。
(5) 提供i2c總線控制模塊、兩個uart口和spi串行接口[2]。

在系統(tǒng)設計上,考慮了isp編程接口。在初期設計的系統(tǒng)中,為了系統(tǒng)調試方便,采用了jtag調試接口。

數(shù)字輸入輸出接口直接利用單片機的i/o口實現(xiàn),計數(shù)器接口接收安裝在隨鉆細鋼絲繩滑輪上的霍耳傳感器的脈沖信號,根據(jù)該信號利用滑輪的轉數(shù)來計算井深,這里直接利用單片機的計數(shù)功能。

4 控制系統(tǒng)軟件

整個控制器、傳感器和液晶管理控制器所使用的微控制器都是工業(yè)級的。為開發(fā)方便,使用同一系列不同配置的微控制器,所有程序開發(fā)都使用c語言進行,開發(fā)軟件使用icc avr c6.28 軟件包,調試器使用atmel公司的jtage ice,調試環(huán)境使用avr studio 4.10。

根據(jù)控制系統(tǒng)及比例方向閥的特點和需求進行分析可知,系統(tǒng)軟件需要完成的任務包括:數(shù)據(jù)檢測(包括a/d轉換、垂直度和位置指令脈寬測量等)、鍵盤掃描、lcd顯示、控制算法和pwm輸出、參數(shù)設定等。這些功能的實現(xiàn)需由mega128的下列資源來實現(xiàn):通用i/o、 adc、t0~t3定時器、中斷系統(tǒng)等。

由于管理lcd顯示的是單獨的微控制器,所以只需將液晶顯示模塊所用功能編寫成例程,控制器只發(fā)送控制命令,液晶控制器接收命令后對顯示模塊進行具體控制即可。這里只介紹主控制器的軟件實現(xiàn)。

4．1 主程序

主程序首先要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化,包括端口初始化、定時器初始化、中斷設置等。

主程序處于循環(huán)狀態(tài),主要完成參數(shù)檢測和向lcd控制器發(fā)送顯示狀態(tài)命令等,直到發(fā)出關閉指令為止。

4．2 中斷控制

控制軟件要實現(xiàn)多個任務。對各個任務的調度和管理以及重要任務的實時執(zhí)行,就需要對各個中斷精確規(guī)劃和協(xié)調。

控制軟件中共用到定時器中斷、外部中斷、uart0中斷、i2c總線中斷、spi中斷、a/d轉換完成中斷等中斷。其功能如下:

(1)t0定時器溢出中斷用于實現(xiàn)采樣周期定時。
(2)t2定時器溢出中斷用于對測量井深的霍耳傳感器進行計數(shù)溢出中斷。
(3)外部中斷用于實現(xiàn)轉向的檢測和操縱桿鎖定信號檢測。
(4)a/d 轉換完成中斷用于操縱桿指令和垂直度的轉換。
(5)uart0中斷用于控制系統(tǒng),使之通過串口與pc機進行數(shù)據(jù)交換。
(6)i2c總線中斷用于通過中斷實現(xiàn)總線協(xié)議,掃描鍵盤并完成數(shù)據(jù)傳送。
(7) spi中斷用于主控制器向lcd控制器發(fā)送顯示命令。

并不是每個中斷都自始至終發(fā)揮作用,而是在不同階段,有些中斷使能,其余禁止,且同一中斷在旋挖鉆機工作的不同階段,其優(yōu)先級也會有所不同。通過靈活的中斷設置與協(xié)調,可實現(xiàn)實時任務和非實時任務的調度管理。

4.3 控制規(guī)律設計

為了迅速、穩(wěn)定、可靠地完成旋挖鉆機垂直起豎控制,整個控制過程分為手動控制和自動搜尋控制。

4．3.1 手動控制

手動控制采用開環(huán)控制使驅動旋挖鉆機的兩個液壓缸在操縱員的控制下滿足如下三種不同工作要求:當操縱桿只有俯仰指令而無滾轉指令時,其中一個液壓缸的運動跟隨另一個液壓缸的運動;當操縱桿只有滾轉指令而無俯仰指令時,兩個液壓缸作差動運動;當操縱桿既有俯仰指令又有滾轉指令時,則兩個液壓缸的運動是上述兩個運動的合成運動。

4.3.2 自動控制

當手工操作鉆桅進入自動搜尋區(qū)域時,則按下操縱桿上的自動搜尋按鈕,單片機系統(tǒng)便斷開操縱桿指令,利用角位置傳感器信號控制液壓缸運動,并按正交搜索策略搜索。整個控制在t0的中斷中實現(xiàn)。程序流程圖見圖6。

4．4 pid 控制算法

為了方便更改pid控制參數(shù),加快調試參數(shù)的效率,在進入閉環(huán)控制后,通過外部按鍵進入?yún)?shù)設定狀態(tài),此時暫時退出閉環(huán)控制;然后通過按鍵分別設置kp、ki、kd等參數(shù),當新的參數(shù)投入使用后,重新進入閉環(huán)工作狀態(tài)。pid控制算法程序流程圖見圖7。