514652053畢業(yè)設(shè)計（論文）C8051在電液比例控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 第45頁hunan university畢 業(yè) 論 文論文題目：c8051在電液比例控制系統(tǒng)中的應(yīng)用學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：200740914128專業(yè)班級：07級自動化班學(xué)院名稱：電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：學(xué)院院長：二零零七年六月 c8051在電液比例控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要隨著微電子技術(shù)、智能技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)等的快速發(fā)展以及向工程機械領(lǐng)域的不斷滲透，現(xiàn)代工程機械正處于機電液一體化的嶄新的發(fā)展時代。其中，電液比例控制系統(tǒng)具有控制精度高、安裝使用靈活以及抗污染能力強等多方面優(yōu)點，其應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬。本文采用c8051f040微控制器為核心設(shè)計與開發(fā)的電壓比例控制器，相對于傳統(tǒng)

2、的單片機所構(gòu)成的電液比例控制系統(tǒng)，具有更高的穩(wěn)定性、可靠性和實時響應(yīng)能力。因此，其更能適應(yīng)我國工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境。本文首先闡述了電液比例控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史，特點，以及分類情況。其次，介紹了整個控制系統(tǒng)的功能，并詳細(xì)介紹了以c8051f040微控制器為核心的系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。接著，詳細(xì)闡述了控制器與電液比例閥的接口電路，即由電機驅(qū)動芯片lmd18200構(gòu)成的驅(qū)動電路的原理與設(shè)計。最后，本文討論了整個系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計情況。關(guān)鍵詞：電液比例控制，c8051f,lmd18200,pidthe application of c8051 in the electro-hydraulic proport

3、ional control systemauthor: zhao chao tutor: peng chuwuabstractwith the rapid development of micro-electronics, intellectual technology, sensing and detection technology and the continuous penetration of them into the field of engineering mechanisms, modern engineering mechanism is in a new age of t

4、he integration of mechanism, electrics and hydraulic pressure. electro-hydraulic proportional control system has a lot of advantages，such as the high control accuracy, the flexible installation and use, the strong resistance on contamination and so on ,so that the application of electro-hydraulic pr

5、oportional control system has increasingly broadened. the electro-hydraulic proportional control system that based on c8051f040 controller in this paper has higher stability and dependability and real-time responsive capacity, compared to that based on traditional singlechips. therefore, it can adap

6、t to the application environment of the modern engineering mechanism better than other control systems in our country.firstly, it is described the development history, basic principle and the classification of the electro-hydraulic proportional control system in this paper.secondly, this paper intro

7、duces the function of the whole control system and the basic hardware structure which is based on the c8051f040 controller in detail.then, this paper elaborates the principle and the design process of the driver of the electro-hydraulic proportional control system which is consisted of the motor-dri

8、ven chip lmd18200.at the last of this paper, it discusses the design of the program of the whole electro-hydraulic proportional control system.key words: electro-hydraulic proportional control, c8051f, lmd18200, pid目錄1 緒論 .1 1.1 課題背景及目的.1 1.2 國內(nèi)外電液控制研究狀況.1 1.3 控制器概述.21.4 設(shè)計過程.3 1.5 本文的組成.32 電液比例控制技術(shù)

9、.4 2.1 概述.4 2.2 電液比例控制技術(shù)的發(fā)展歷史.5 2.3 電液比例控制的特點.6 2.4 電液比例控制系統(tǒng)的分類.6 2.5 電液比例控制系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢.73 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).9 3.1 控制系統(tǒng)功能概述.9 3.1.1 硬件電路設(shè)計思路.9 3.1.2 控制系統(tǒng)框圖.10 3.2 主制器c8051f040的介紹.10 3.2.1 c8051f040概述.10 3.2.2 c8051f040的組成及特性 .11 3.3 選型依據(jù).12 3.4 數(shù)字量輸入輸出模塊.13 3.5 中斷管理模塊.14 3.6 串行通信模塊.15 3.7 電源模塊.16 3.8 硬件抗干擾措施.1

10、64 電液比例閥驅(qū)動電路的設(shè)計.18 4.1 電液比例閥的簡介.18 4.2 設(shè)計思路.18 4.3 方案實現(xiàn).19 4.3.1 lmd18200概述.19 4.3.2 lmd18200主要特性及引腳說明.19 4.3.3 lmd18200與c8051f040的連接.205 系統(tǒng)軟件設(shè)計.22 5.1 控制算法.22 5.1.1 pid介紹.22 5.1.2 pid程序設(shè)計.23 5.2 主控制器程序設(shè)計.24 5.3 中斷程序設(shè)計.26 5.4 數(shù)字量輸入輸出模塊設(shè)計.27 5.5 軟件抗干擾措施.28結(jié)論.29致謝.30參考文獻.31附錄.32附錄a 系統(tǒng)原理圖.32 附錄b 系統(tǒng)pcb圖

11、.33 附錄c 系統(tǒng)程序.341 緒論1.1 課題背景及目的現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的普及和發(fā)展，為實現(xiàn)各類工藝過程的最佳控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。因此，工程控制的應(yīng)用已逐步從航天，航空和軍事領(lǐng)域普及到民用工業(yè)部門。工程機械是為國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展提供各類機械裝備和生產(chǎn)制造技術(shù)以創(chuàng)造財富和提高社會文明水準(zhǔn)的重要工程領(lǐng)域，是與人類社會活動關(guān)系十分密切，應(yīng)用非常廣泛的工程領(lǐng)域。改革開放20多年來，國民經(jīng)濟突飛猛進，國家基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃發(fā)展，帶動著國內(nèi)工程機械的需求，推動著工程機械的發(fā)展。近十年來隨著技術(shù)的引進、消化、吸收，國內(nèi)工程機械有了長足的進步，產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、外觀都有較大幅度的提高，

12、但同國外工程機械比較來看，還存在較大差距。雖然工程機械在我國起步較早，但由于眾多方面的原因，國產(chǎn)水平一直止步不前。作為在工程機械領(lǐng)域中中廣泛用到的電液比例閥及其控制器，我國大都采用的是進口設(shè)備，這就帶來了工程機械成本高昂以及不太適用國內(nèi)施工條件的技術(shù)問題。國內(nèi)目前有部分院校已經(jīng)開展了這方面的研究，例如浙江大學(xué)的流控所在流體控制方面的技術(shù)研究一直處于世界先進水平，吉林工業(yè)大學(xué)在實踐方面也做出了一些成果，他們開發(fā)出了用于裝載機的計算機電液比例控制模塊。本課題中，如果我們能將嵌入式電液比例控制系統(tǒng)成功地運用到工程機械這一領(lǐng)域，不但是一項技術(shù)創(chuàng)新，而且可以在使用國產(chǎn)的各種比例閥和傳感器的基礎(chǔ)上，提高控

13、制系統(tǒng)的可靠性與靈敏快速性。這樣就可以減少工程設(shè)備的硬件投資與設(shè)備的管理維護費用，使其成本比同類國際產(chǎn)品低，可靠性比國內(nèi)同類產(chǎn)品高，更適合我國工程機械領(lǐng)域的現(xiàn)狀，從而為工程機械的機電液一體化開辟了廣闊前景1。1.2 國內(nèi)外電液控制研究狀況對于電液比例控制技術(shù)，國內(nèi)不僅已開展相關(guān)的研究而且已經(jīng)達到廣泛的實際應(yīng)用，但目前國內(nèi)的制造和技術(shù)水平還落后于國際水平。我國的電液控制技術(shù)起步較晚，始于上世紀(jì)六十年代，到七十年代中期才開始發(fā)展。國內(nèi)自主開發(fā)的計算機電液比例控制與監(jiān)控系統(tǒng)由于技術(shù)不成熟，在工程機械上的開發(fā)應(yīng)用才剛剛起步。在相關(guān)技術(shù)方面，廠家要么采用的是機械、液壓控制，要么全套引自國外廠家的產(chǎn)品，整

14、體的技術(shù)水平以及創(chuàng)新能力還不是很強?？偟膩砜矗覈娨罕壤刂萍夹g(shù)與國際水平相比還存在較大的差距，主要表現(xiàn)在：缺乏主導(dǎo)系列產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品型號規(guī)格雜亂，品種規(guī)格不全，存在各類比例泵、比例閥等，國內(nèi)設(shè)計生產(chǎn)的品種比較少，并缺乏足夠的工業(yè)性試驗研究；在控制技術(shù)方面，自動化程度不高，性能水平較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，可靠性較差等，都有礙于該項技術(shù)進一步地擴大應(yīng)用，急待盡快提高。電液比例控制技術(shù)在歐美發(fā)達國家已經(jīng)非常先進成熟，并在各類工程機械領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，至今已形成了完整的產(chǎn)品品種、規(guī)格系列。歐美發(fā)達國家生產(chǎn)工程機械的主要國家如德國、美國、英國、法國、意大利及亞洲的日本等，由于其本身技術(shù)的先進性，早已

15、開展計算機控制與智能監(jiān)控技術(shù)在工程機械領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。國際一些著名公司如美國的派克漢尼汾公司、德國的力士樂和博世公司等居世界領(lǐng)先地位。德國博世公司開發(fā)的農(nóng)業(yè)拖拉機液壓提升器電子控制系統(tǒng)，引入了比例閥、可編程序控制器和數(shù)據(jù)總線技術(shù)，使其電控系統(tǒng)功能更加完善，成本顯著降低，迅速占領(lǐng)了歐美各種拖拉機的應(yīng)用市場。在國外工程機械計算機控制與智能監(jiān)控系統(tǒng)方面，以德國利渤海爾公司的licon機電一體控制系統(tǒng)和o&k公司的起重機控制系統(tǒng)(bcs)為代表。該系統(tǒng)的應(yīng)用，使得工程機械從傳統(tǒng)的第一、第二代的機、液控制，成為計算機電液控制的和自我故障診斷的智能系統(tǒng)，走向機、電、液一體化。此外，日本日立公司的

16、dr. ex 故障診斷系統(tǒng)，采用的是插入機上手持式終端形式，也可認(rèn)為是機載控制系統(tǒng)的另一種發(fā)展方向1。1.3 控制器概述本系統(tǒng)采用的是美國silabs公司的c8051f040單片機作為控制器對系統(tǒng)進行控制，它是屬于c8051f系列單片機的一種。c8051f系列單片機除具有一般單片機的共同特點之外，它與80c51系列單片機的主要相同點是其內(nèi)核與8051基本相同，指令系統(tǒng)完全一樣。 c8051f系列單片機采用了流水線結(jié)構(gòu)，廢除了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位，處理能力大大增強。在相同時鐘下，指令運行速度比一般的8051系列單片機提高了大約10倍。在這種控制器中，其i/o接口的特殊功能可以

17、由軟件配置實現(xiàn)，這樣極大的提高了端口配置的靈活性。在這種單片機中，采用了一個更加完善和先進的時鐘系統(tǒng)，可以采用多種時鐘源?？梢允褂镁w、陶瓷諧振器、電容、rc或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果有需要，在程序運行時，可以實現(xiàn)時鐘的內(nèi)外部切換。在c8051f中，還提供了片內(nèi)jtag接口和調(diào)試電路，使8位單片機傳統(tǒng)的仿真調(diào)試產(chǎn)生質(zhì)的變化，可以對最終的應(yīng)用系統(tǒng)進行非侵入式、實時在系統(tǒng)調(diào)試仿真。另外，該種單片機提供了多種復(fù)位方式，總共有多達7個復(fù)位源：1個片內(nèi)vdd監(jiān)視器、一個看門狗定時器、1個時鐘失效檢測器、1個由比較器0提供的電壓檢測器、1個軟件強制復(fù)位、cnvstr引腳及/rst引腳。這樣，提高了系統(tǒng)

18、的安全性、靈活性，并有利于零功耗設(shè)計。由于單片機采用了多種低功耗技術(shù)，例如采用3v供電，并且可以關(guān)閉片上外設(shè)，因而使系統(tǒng)的平均功耗大大降低。1.4 設(shè)計過程本文針對工程機械中經(jīng)常用到的汽車起重機，在全面，有層次地分析其整體功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計出以c8051f040微控制器為核心的電液比例控制器，并選擇合適的元器件，設(shè)計出外圍設(shè)備硬件電路，以求滿足汽車起重機的基本功能需求，然后利用protel完成系統(tǒng)原理圖和電路板的設(shè)計。最后，利用c語言設(shè)計出整個電液比例控制系統(tǒng)的軟件部分。1.5 本文的組成本文主要分為五章：第一章介紹本設(shè)計的背景，目的以及國內(nèi)外的研究狀況；第二章對電液比例控制技術(shù)的發(fā)展歷史，特

19、點，分類，以及未來的發(fā)展趨勢進行了簡要的介紹；第三章首先介紹了控制器c8051f040，接著對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)各個模塊進行了比較詳細(xì)的介紹；第四章介紹了電液比例控制驅(qū)動閥的電路設(shè)計，重點介紹了電機驅(qū)動芯片lmd18200；第五章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。 2 電液比例控制技術(shù)2.1 概述電液比例控制技術(shù)是一門比較年輕的技術(shù),它的發(fā)展和普遍應(yīng)用還不到50 年,然而,憑借它的優(yōu)點卻形成了流體傳動與控制領(lǐng)域的一個重要分支,并作為連結(jié)現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率工程控制設(shè)備之間的橋梁,已經(jīng)成為現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)之一。電液比例控制系統(tǒng)由電子放大及調(diào)節(jié)單元、電液比例控制單元（含機械轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的比例閥、電液比例變

20、量泵及變量馬達）、動力執(zhí)行單元及動力源、工程負(fù)載及信號檢測反饋處理單元所組成。電液比例控制常用于開環(huán)系統(tǒng)，其控制方框圖如圖2.1 所示?？刂破?計算機)給出的信號通常是電壓信號，經(jīng)電控器處理放大后向電液比例閥的比例電磁鐵(力馬達)輸送直流電流i，電磁鐵將i 按比例轉(zhuǎn)換成電磁力fp , fp 通過彈性元件作用在控制閥的閥芯上，使之產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而控制液流的流量、壓力和方向，通過執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達)使負(fù)載(如鏟刀)獲得隨信號的大小和性質(zhì)變化而連續(xù)地成比例變化的力f(扭矩)、速度v(角速度)或位移。開環(huán)控制的精度較低且沒有跟蹤功能。如果系統(tǒng)要求精度較高，可對開環(huán)系統(tǒng)的輸出量檢測并反饋到控

21、制器，使之與指令信號進行比較，得到差值e = ei eb 后再經(jīng)電控器去控制電液比例閥。圖2.2 是閉環(huán)電流比例控制簡化方框圖。圖2.1 開環(huán)電液比例控制系統(tǒng)圖2.2 閉環(huán)電液比例控制系統(tǒng)2.2 電液比例控制技術(shù)的發(fā)展歷史電液比例控制技術(shù)從形成至今,大致上可劃分為四個階段：(1)從1967年瑞士beringer公司生產(chǎn)kl比例復(fù)合閥，到70年代日本油研公司申請壓力和流量兩項比例閥專利，標(biāo)志著比例技術(shù)的誕生時期。此間，比例技術(shù)開始在液壓控制領(lǐng)域中作為獨立的分支，并以開環(huán)控制應(yīng)用為主。這一階段的比例閥僅僅是將新型電-機械轉(zhuǎn)換器（比例電磁鐵）用于工業(yè)液壓閥，以代替開關(guān)電磁鐵或調(diào)接手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和

22、設(shè)計方法幾乎沒有變化，閥內(nèi)不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在15hz 之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在4%7%之間，多用于開環(huán)控制。 (2)從1975年到1980年，比例技術(shù)的發(fā)展進入到第二階段。這是比例技術(shù)發(fā)展最快的時期。此間，采用各種內(nèi)部反饋原理的比例元件相繼問世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上已經(jīng)成熟。比例元件的工作頻寬已達515hz,滯環(huán)減小到3%左右，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。20世紀(jì)70年代后期比例變量泵和比例執(zhí)行器相繼出現(xiàn)，為大功率系統(tǒng)的節(jié)能奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)用領(lǐng)域擴大到閉環(huán)控制。 (3)到了20世紀(jì)80年代，比例技術(shù)的發(fā)展進入了第三階段。這一階段，比例元件的設(shè)計原理進一步完善，采用了壓力，

23、流量，位移反饋和動壓反饋及電校正等手段，使閥的穩(wěn)定精度、動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進一步的提高。除了制造成本的原因，比例閥在中位仍保留死區(qū)外，它的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥相當(dāng)。這一階段的另一項重大進展是比例技術(shù)開始和插裝閥相結(jié)合，開發(fā)出各種不同功能和常規(guī)的二通、三通型比例插裝閥，形成了電液比例插裝技術(shù)。此外，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了帶集成放大器的電液一體化比例元件。(4)從1990年至今，是比例技術(shù)進一步完善的階段。這一階段有兩項重要的新產(chǎn)品問世。其一是推出了伺服比例閥。這種閥的電-機械轉(zhuǎn)換器采用比例電磁鐵，功率級閥芯采用伺服閥的結(jié)構(gòu)和加工工藝，解決了閉環(huán)控制要求死區(qū)小的問題。

24、它的性能與價格介于伺服閥和普通比例方向閥之間，但它對油液的清潔度要求低于電液伺服閥，特別適用于各種工業(yè)閉環(huán)控制。其二是計算機技術(shù)與比例元件相結(jié)合，開發(fā)出了數(shù)字式比例元件和數(shù)字式比例系統(tǒng)，并形成了不同總線標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字比例元件接口。隨著微電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，先是在比例放大器中采用數(shù)字芯片，部分信號的處理、調(diào)整和運算采用編程手段實現(xiàn)。最近，電液數(shù)字控制塊、大型數(shù)字式控制系統(tǒng)相繼開發(fā)應(yīng)用，數(shù)字比例控制的產(chǎn)品已經(jīng)由芯片級發(fā)展到了系統(tǒng)級，即指令、比較、反饋、pid調(diào)節(jié)均由計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。數(shù)字式電液系統(tǒng)實際上是電液數(shù)-模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這項技術(shù)已趨成熟，并形成了系列化的產(chǎn)品2。2.3

25、電液比例控制的特點電液比例控制系統(tǒng)主要有以下特點：(1)可明顯地簡化液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜程序控制，降低費用，提高了可靠性，可在電控制器中預(yù)設(shè)斜坡函數(shù)，實現(xiàn)精確而無沖擊的加速或減速，不但改善了控制過程品質(zhì)，還可縮短工作循環(huán)時間；(2)利用電信號便于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制或遙控。將閥布置在最合適的位置，提高主機的設(shè)計柔性；(3)利用反饋提高控制精度或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標(biāo)；(4)能按比例控制液流的流量、壓力，從而對執(zhí)行器件實現(xiàn)方向、速度和力的連續(xù)控制，并易實現(xiàn)自動無級調(diào)速。2.4 電液比例控制系統(tǒng)的分類電液比例控制系統(tǒng)可以從不同的角度按很多方式來進行分類。電液伺服控制系統(tǒng)是一種廣義上的比例控制系統(tǒng)。因而比例控制

26、可以參照伺服控制按代表系統(tǒng)一定特點的分類方式進行分類。按被控量是否被檢測和反饋來分類，可分為開環(huán)比例控制和閉環(huán)比例控制系統(tǒng)。由于比例閥是適應(yīng)較低精度的控制系統(tǒng)而開發(fā)的產(chǎn)品，目前的應(yīng)用以開環(huán)控制為主。隨著整體閉環(huán)比例閥的出現(xiàn)，其主要性能與伺服閥無異，因而采用閉環(huán)比例控制的場合也會越來越多。按控制信號的形式來進行分類，可分為模擬控制和數(shù)字式控制。后者又分為脈寬調(diào)制、脈碼調(diào)制和脈數(shù)調(diào)制等。按比例組件的類型來分類，可分為比例節(jié)流閥控制和比例容積控制兩大類。比例節(jié)流控制適用于功率較小的系統(tǒng)，而比例容積控制用在功率較大的場合。目前，最通用的分類方式是按被控對象(量或參數(shù))來進行分類。由此電液比例控制系統(tǒng)可

27、以分為：(1)比例流量控制系統(tǒng)；(2)比例壓力控制系統(tǒng)；(3)比例流量壓力控制系統(tǒng)；(4)比例速度控制系統(tǒng)；(5)比例位置控制系統(tǒng)；(6)比例力控制系統(tǒng)；(7)比例同步控制系統(tǒng)。2.5 電液比例控制系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢電液比例控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾點：(1)提高控制性能，適應(yīng)機電液一體化主機的發(fā)展。提高電液比例閥及遠(yuǎn)控多路閥的性能，使之適應(yīng)野外工作條件。并發(fā)展低成本比例閥，其主要零件與標(biāo)準(zhǔn)閥通用。(2)比例技術(shù)與二通和三通插裝技術(shù)相結(jié)合，形成了比例插裝技術(shù)，特點是結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，流動阻力小，通油能力大，易于集成；此外出現(xiàn)比例容積控制為中、大功率控制系統(tǒng)節(jié)能提供新手段。(3)由于傳感器

28、和電子器件的小型化，出現(xiàn)了傳感器、測量放大器、控制放大器和閥復(fù)合一體化的元件，極大地提高了比例閥(電反饋)的工作頻寬。其主要表現(xiàn)有： 高頻響、低功耗比例放大器及高頻響比例電磁鐵的研制，1986年西德bosch公司提出高性能閉環(huán)控制比例閥，由于采用了高響應(yīng)直流比例電磁鐵和相應(yīng)的放大器，并含有位置反饋閉環(huán)，其流量輸出穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性無中位死區(qū)，滯環(huán)僅03 ，零區(qū)壓力增益達3額定控制電壓，負(fù)載腔達80供油壓力，工作頻寬和性能已達高水平伺服閥，而成本僅為后者的13。帶集成式放大器的位移傳感器(200hz)的開發(fā)，為電反饋比例閥小型化，集成化創(chuàng)造良好的條件。伺服比例閥(閉環(huán)比例閥)內(nèi)裝放大器，具有伺服閥的各

29、種特性：零遮蓋、高精度、高頻響，但其對油液的清潔度要求比伺服閥低，具有更高的工作可靠性。pid調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性，使之有較好的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，可利用計算機對pid參數(shù)進行最優(yōu)化數(shù)字化或利用實驗研究來獲得實際線路pid參數(shù)的優(yōu)良匹配。3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3.1 控制系統(tǒng)功能概述本系統(tǒng)主要用于汽車起重機的電液比例控制。通過控制手柄信號的輸入從而控制汽車起重機的卷揚、變幅、伸縮和回轉(zhuǎn)四個動作。向x、y方向扳動左右手柄對應(yīng)的具體的操作有：回轉(zhuǎn) 、變幅 、伸縮/副卷揚、主卷揚。其中伸縮的動作有特殊的地方，吊臂由多節(jié)臂構(gòu)成，由兩個油缸i和ii按一定順序共同控制吊臂的伸縮；在強制鍵未按下時，i缸

30、和ii缸是順序工作的，規(guī)則是伸出時先伸i缸到位后伸ii缸，而收縮時是先收ii缸到位然后收i缸；當(dāng)按下強制鍵時，順序控制失效，由操縱面板上的強伸ii/強縮i來選擇控制的是哪一個油缸。在本系統(tǒng)中，由于所要控制的五個動作都可由相同的電液比例控制單元來完成，因此在本設(shè)計中只針對單獨一個電液比例控制單元來進行分析，以方便問題的研究。綜合上述系統(tǒng)的功能需求，整個系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖3.1所示：pwm驅(qū)動繼電器切換選擇電液比例閥組c8051f04082598255電源模塊電流反饋ai手柄輸入ai預(yù)留io 預(yù)留外接中斷串行通信模塊圖3.1 電液比例控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.1.1 硬件電路設(shè)計思路本系統(tǒng)的目的是

31、通過控制輸出電流的大小來控制電液比例閥的移動。通過手柄輸入的電壓值，以及電液比例閥組的反饋電流值，我們組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。將二者所產(chǎn)生的差值經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字量，然后根據(jù)這個數(shù)字量，并通過pid運算，計算出輸出方波的占空比，通過c8051f040的可編程計數(shù)器陣列pca輸出pwm波，將其輸入到pwm驅(qū)動芯片，來控制電液比例閥的移動。3.1.2 控制系統(tǒng)框圖圖3.2 控制系統(tǒng)框圖3.2 主控制器c8051f040的介紹本系統(tǒng)采用美國silabs公司推出的c8051f040單片機作為主控制器，下面簡要了解一下這種單片機。3.2.1 c8051f040概述c8051f040是silabs公司推

32、出的c8051f系列單片機的一種，這種系列單片機的推出，使得80c51系列單片機從微控制器(mcu)時代步入了片上系統(tǒng)(soc)時代，使得以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。soc即system on chip的縮寫，意思是把計算機常用的一些數(shù)字和模擬外設(shè)等全部都做在一塊芯片上，使它成為一個完整的模擬數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。c8051f系列單片機是一種高度集成的soc型芯片，具有與8051單片機兼容的微控制器內(nèi)核，與mcs-51指令系統(tǒng)完全兼容。除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還具有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其他數(shù)字外設(shè)部件。該單片機中增加的外設(shè)或功能部件包括：模擬多路選擇

33、器、可編程增益放大器、adc、dac、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、smbus/i2c、增強型uart、spi、可編程計數(shù)器/定時器陣列(pca)、電源監(jiān)視器、看門狗定時器(wdt)和時鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的flash程序存儲器(簡稱閃存)和256b的內(nèi)部ram，有些器件內(nèi)部有位于外部數(shù)據(jù)空間的ram。圖3.3 c8051f040結(jié)構(gòu)框圖3.2.2 c8051f040的組成及特性c8051f040主要由以下幾個部分組成：l cip-51微控制器內(nèi)核：c8051f040單片機采用silabs公司的專利cip-51微控制器內(nèi)核。cip-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)的8052的所有外設(shè)部件，包括5個

34、16位的計數(shù)/定時器、2個全雙工uart、256b內(nèi)部ram空間、128b特殊功能寄存器(sfr)地址空間及8個8位的i/o端口。c8051f040系列的mcu與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比，在cpu內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項關(guān)鍵性的改進，提高了整體性能，更易于應(yīng)用。l 中斷系統(tǒng)：擴展的終端系統(tǒng)可響應(yīng)21個中斷源(標(biāo)準(zhǔn)的8051只有5個中斷源)的中斷申請，在設(shè)計多任務(wù)實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源大大增加了單片機對外界復(fù)雜多變情況的反應(yīng)能力。l 存儲器：它包括256b的核內(nèi)數(shù)據(jù)ram，某些單片機中還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4kb的ram內(nèi)存區(qū)。c8051f040單片機中還有可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部

35、存儲器接口(emif)。 c8051f040的程序存儲器為64kb的flash存儲器，稱為閃存。l 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：c8051f040單片機內(nèi)部還有a/d轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換位數(shù)為8位和12位。外部輸入通道為8路，可被配置為單端輸入或者差分輸入。并且a/d轉(zhuǎn)換通道內(nèi)部配置了可以用軟件改變放大倍數(shù)的可編程增益放大器。l 并行接口：c8051f040單片機的并行接口，即一般單片機的通用i/o端口，共有64個引腳。這些i/o端口的部分引腳可以通過軟件配置成不同的特殊功能。l 串行接口：c8051f040單片機除了具有全雙工uart串行口之外，還增加了spi總線和smbus/i2c總線。并且c8051f

36、040還配置了can串行接口。l 定時器和可編程計數(shù)器陣列：在c8051f040單片機內(nèi)部有5個通用計數(shù)器/定時器， c8051f040還有一個片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列(pca)。c8051f040單片機除具有一般單片機的共同特點之外，它與80c51系列單片機的主要相同點是其內(nèi)核與8051基本相同，指令系統(tǒng)完全一樣。此外，還具有很多顯著的優(yōu)點和特點，其特點和優(yōu)點如下:l 指令運行速度高l i/o端口功能采用軟件配置實現(xiàn)l 時鐘系統(tǒng)更加完善l 可實現(xiàn)通過jtag接口的在系統(tǒng)調(diào)試l 有多種復(fù)位方式l 進一步降低了系統(tǒng)功耗3.3 選型依據(jù)首先，基于cip-51內(nèi)核的c8051f040單片機，使得

37、它與傳統(tǒng)的采用8位或16位單片機作控制器的電液比例控制系統(tǒng)相比,在系統(tǒng)的實時性、安全可靠性方面都有很大的提高。又因為使用了流水線結(jié)構(gòu)，使其處理能力大大提高，這樣，使得c8051f040在運算處理和資源管理能力上都有了很大的提高。其次，它所擁有的4kb片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，以及64kb的片內(nèi)程序存儲器，使得它不用擴展外部存儲器，便可以勝任普通的存儲需求。另外，它帶有6路pca,這樣，在處理本設(shè)計中所涉及到的pwm方面很方便。它帶有64路的io口，解決了系統(tǒng)輸入輸出信號多的問題。同時，它帶有多種串行通信接口，以及can接口和先進的驗收濾波器，方便以后系統(tǒng)擴展時使用can總線與機載前端進行通信。3.4 數(shù)

38、字量輸入輸出模塊為了便于管理單片機的輸入輸出，本系統(tǒng)采用了intel公司的可編程并行i/o接口芯片8255a。8255a是intel86系列微處理機的配套并行接口芯片，它可為86系列cpu與外部設(shè)備之間提供并行輸入/輸出通道。由于它是可以編程的，可以通過軟件來設(shè)置芯片的工作方式，因此，用8255a連接外部設(shè)備時，通常不用再附加外部電路，使用較為方便。8255a芯片具有24個可編程輸入輸出引腳，分成3個8位端口a,b,c。每個端口可獨立編程為輸入或者輸出。其在本系統(tǒng)中的電路圖如圖3.4所示:圖3.4 8255a接口電路圖在本系統(tǒng)中，8255a的a口，b口，被配置為輸入，c口被配置為輸出。 825

39、5a的數(shù)據(jù)線和c8051f040的數(shù)據(jù)總線相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。c8051f040通過8255cs，a1，a0三根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)對8255a的片選。3.5 中斷管理模塊在本系統(tǒng)中，采用的c8051f040由于只能提供int0和int1兩個外部中斷，所以有必要擴充外部中斷源。在本系統(tǒng)中，采用了intel公司的可編程中斷控制器8259a。8259a有強大的中斷管理功能，主要體現(xiàn)在：l 具有8級優(yōu)先權(quán)，并可通過級聯(lián)擴展至64級；l 可通過編程屏蔽或開放接于其上的任一中斷源；l 在中斷響應(yīng)周期能自動向cpu提供可編程的標(biāo)識碼；l 可編程選擇各種不同的工作方式。其在本系統(tǒng)中的電路圖如圖3.5所示:圖3.5

40、8259a接口電路圖外界中斷信號接在ir0-ir7上，實現(xiàn)系統(tǒng)外部中斷的擴充。8259a的數(shù)據(jù)線和c8051f040的數(shù)據(jù)總線相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。c8051f040通過8259cs，a0兩根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)對8259a的片選。3.6 串行通信模塊c8051f040單片機除了具有全雙工uart串行口之外，還增加了spi總線和smbus/i2c總線。每種串行總線都能向cip-51發(fā)出中斷申請，因此很少需要cpu的干預(yù)。這些串行總線不“共享”定時器，中斷或端口i/o，所以可以使用任何一個或全部同時使用。并且c8051f040還配置了can串行接口。在本系統(tǒng)中，為了獲得與pc通信上的方便，使用c8051f

41、040提供的uart串行口。通過使用max232芯片來達到所需要求。max232產(chǎn)品是由德州儀器公司（ti）推出的一款兼容rs232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供tia/eia-232-f電平。該器件符合tia/eia-232-f標(biāo)準(zhǔn)，每一個接收器將tia/eia-232-f電平轉(zhuǎn)換成5-v ttl/cmos電平。每一個發(fā)送器將ttl/cmos電平轉(zhuǎn)換成tia/eia-232-f電平。 滿足或超過tia/eia-232-f 規(guī)范要求，符合itu v.28標(biāo)準(zhǔn)。其在本系統(tǒng)中的電路圖如圖3.6所示:圖3.6 max232接口電路圖3.7 電源模塊整個系統(tǒng)的電源來自

42、外接的12v，而系統(tǒng)需要提供的電源有：c8051f040的內(nèi)核供電電源為3.6v，系統(tǒng)部分外設(shè)的供電電源為5v，這些都由12v轉(zhuǎn)化而來。因此需要幾次轉(zhuǎn)換來得到系統(tǒng)所需的電壓。首先采用lm7805將+12v的電源轉(zhuǎn)化為+5v的電源,如圖3.7所示。得到的+5v電源，再通過ams-1117所組成的電路轉(zhuǎn)化為+3.3v，如圖3.8所示。圖3.7 +12v轉(zhuǎn)換為+5v電路圖圖3.8 +5v轉(zhuǎn)換為+3.6v電路圖3.8 硬件抗干擾措施(1)元件選擇：對系統(tǒng)中用到的元件進行篩選。系統(tǒng)中主要采用了抗干擾性比較強的cmos芯片。(2)電源電路的設(shè)計：電源干擾產(chǎn)生的原因主要是由于任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻和分

43、布電容、電感等，所以本系統(tǒng)采用以下方案解決: 采用開關(guān)電源來保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過壓和欠壓；電源線的走向盡量與信號傳遞方向一致并盡量加粗地線，在電源入口處和一些較大芯片的電源引腳和地之間設(shè)計去耦電容等。(3)接地問題：在系統(tǒng)設(shè)計中，地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、數(shù)字地和模擬地等。不同接地點很難形成同一電位，會在兩接地點之間形成電流，產(chǎn)生干擾，所以實際設(shè)計中采用了數(shù)字地和模擬地分別與電源端地線相連的措施，使系統(tǒng)只有一個接地點，避免形成“地回路”。4 電液比例閥驅(qū)動電路的設(shè)計電液比例控制系統(tǒng)是根據(jù)輸入電信號的大小按比例連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量或方向等參數(shù)。通常，電液比例控制系統(tǒng)主要由操作

44、手柄、控制器、pwm驅(qū)動電路、比例電磁鐵、電液比例閥以及執(zhí)行機構(gòu)等部分組成。在一般的工程機械場合，電液比例控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制均能滿足要求，只需采用電流閉環(huán)以穩(wěn)定輸出量。電液比例閥控制方式大多采用pwm技術(shù)進行控制，通過改變pwm信號的占空比來調(diào)整比例電磁鐵的平均電流，以降低摩擦、減少電磁鐵的滯環(huán)和死區(qū)現(xiàn)象，提高電液比例閥的響應(yīng)速度。4.1 電液比例閥簡介電液比例閥是閥內(nèi)比例電磁鐵根據(jù)輸入的電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)動作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件。閥芯位移也可以以機械、液壓或電的形式進行反饋。由于電液比例閥具有形式種類多樣、容易組成使用電氣及

45、計算機控制的各種電液系統(tǒng)、控制精度高、安裝使用靈活以及抗污染能力強等多方面優(yōu)點，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬。電液比例閥有多種分類方法。按照電液比例閥所控制的參數(shù)分類，有電液比例壓力閥、電液比例流量閥、電液比例方向流向復(fù)合閥。按照閥內(nèi)液壓放大的級數(shù)分類，有單級控制閥，雙級控制閥，三級控制閥。按電液比例控制閥的閥芯結(jié)構(gòu)形式分類，有滑閥結(jié)構(gòu)、錐閥結(jié)構(gòu)、插裝閥結(jié)構(gòu)的比例控制閥。比例電磁鐵作為電液比例控制元件和系統(tǒng)的電機械轉(zhuǎn)換器件，其功能是將比例控制放大器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成力或位移。比例電磁鐵推力大、結(jié)構(gòu)簡單、對油質(zhì)要求不高、維護方便、成本低廉等特點，是電液比例控制技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的電機械轉(zhuǎn)換器件，也是電液

46、比例技術(shù)的關(guān)鍵部件之一。因此，采用智能數(shù)字比例控制放大器的同時，應(yīng)當(dāng)設(shè)計一種合理的功率驅(qū)動接口電路與放大器相匹配，使比例電磁鐵具有良好的特性和高可靠性，從而完成對比例元件和系統(tǒng)的最佳控制。4.2 設(shè)計思路控制比例電磁鐵的放大器有兩種工作方式：模擬式比例放大器和pwm（脈寬調(diào)制）式比例放大器。傳統(tǒng)上，可以采用功率晶體管來產(chǎn)生正向連續(xù)直流，晶體管的輸入為一模擬電壓，比例電磁鐵的線圈串聯(lián)到電源與集電極之間。隨著輸入模擬電壓的變化，電磁鐵線圈上通過相應(yīng)比例的電流，這樣就完成了比例電磁鐵的驅(qū)動放大。但是，這種模擬式比例放大器的晶體管溫升高，功耗大，而且不方便產(chǎn)生比例電磁鐵驅(qū)動所特有的振顫信號，近年來已較

47、少應(yīng)用，替代它的是pwm式比例放大器。4.3 方案實現(xiàn)本系統(tǒng)中，采用美國國家半導(dǎo)體公司推出的直流電機驅(qū)動芯片lmd18200作為pwm驅(qū)動器。lmd18200具有很強的驅(qū)動能力，瞬間驅(qū)動電流可達6a，正常工作電流可達3a，還具備溫度報警、過熱與短路保護的功能，因此完全滿足本系統(tǒng)的各項要求。4.3.1 lmd18200概述lmd18200是美國國家半導(dǎo)體公司(ns)推出的專用于運動控制的h橋組件。同一芯片上集成有cmos控制電路和dmos功率器件，峰值輸出電流高達6a，連續(xù)輸出電流達3a，工作電壓高達55v，還具有溫度報警和過熱與短路保護功能。lmd18200外形結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，它有11個引

48、腳和24個引腳兩種形式，采用to-220和雙列直插式封裝。圖4.1 lmd18200外形結(jié)構(gòu)圖4.3.2 lmd18200主要特性及引腳說明l 峰值輸出電流高達6a，連續(xù)輸出電流達3a；l 工作電壓高達55v；l low rds(on) typically 0.3w per switch；l ttl/cmos兼容電平的輸入；l 無“shoot-through”電流；l 具有溫度報警和過熱與短路保護功能；l 芯片結(jié)溫達145，結(jié)溫達170時，芯片關(guān)斷；l 具有良好的抗干擾性。lmd18200各引腳的功能如表4.1所示。表4.1 lmd18200引腳功能表引腳名稱功能描述1、11橋臂1，2的自舉輸

49、入電容連接端在腳1與腳2、腳10與腳11之間應(yīng)接入10uf的自舉電容2、10h橋輸出端3方向輸入端該腳控制輸出1與輸出2(腳2、10)之間電流的方向，從而控制馬達旋轉(zhuǎn)的方向。4剎車輸入端通過該端將馬達繞組短路而使其剎車。剎車時，將該腳置邏輯高電平，并將pwm信號輸入端(腳5)置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達所用的器件。3腳為邏輯高電平時，h橋中2個高端晶體管導(dǎo)通；3腳呈邏輯低電平時，h橋中2個低端晶體管導(dǎo)通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時，h橋中所有晶體管關(guān)斷，此時，每個輸出端只有很小的偏流(1.5ma)。5pwm信號輸入端該端與3腳(方向輸入)如何使用，決定于pwm信號類型。6、7電源正端與負(fù)端8電流取樣輸出端提供電流取樣信號，典型值為377µa/a。9溫度報警輸出溫度報警輸出，提供溫度報警信號。芯片結(jié)溫達145時，該端變?yōu)榈碗娖?；結(jié)溫達170時，芯片關(guān)斷。4.3.3 lmd18200與c8051f040的連接lmd18200可提供雙極性驅(qū)動方式以及單極性驅(qū)動方式，本系統(tǒng)