基于DSP的液压挖掘机作业装置控制系统研究.pdf

精密制造与自动化 2017年第2期 42 基于 DSP 的液压挖掘机作业装置控制系统研究 朱清智 靳 果（河南工业职业技术学院机电自动化学院 河南南阳 473000）摘 要 针对液压挖掘机作业装置的非线性、强耦合等特点，设计了基于 DSP 的液压控制系统，对三个独立的电液比例系统进行位置控制，可实现液压挖掘机作业装置的运动控制。系统的运动需要采集控制系统的缸位移、缸速度、缸压力等信号，最后进行电液伺服控制系统闭环实验，验证控制系统的实时性。关键词 液压挖掘机 DSP 控制器 作业装置 电液比例系统 CAN 总线 为了提高挖掘机作业装置的智能化水平，提高系统精度，在嵌入式系统快速发展的时代，本文结合实际工程技术要求与 DSP 控制器特点，利用 DSP控制技术搭建挖掘机作业装置控制平台，实现电子技术与机械的紧密结合。1 1 液压挖掘机电气系统的硬件设计液压挖掘机电气系统的硬件设计 液压挖掘机作业装置主要由动臂、斗杆和铲斗液压缸实现，同时每个构件是一个独立的电液比例系统。对三个独立的电液比例系统进行位置控制，可实现液压挖掘机作业装置的运动控制。系统的运动需要采集控制系统的缸位移、缸速度、缸压力等信号。其中电压信号为 010V，电流信号为为 4 mA20 mA。(1)液压缸压力信号：油源压力（电压信号），缸腔压力（电流信号）。(2)液压缸位移信号：缸移动位移（电流信号），缸移动速度（电流信号），阀芯移动位移（电流信号）。对于每个液压缸需要进行 7 路信号采集，即缸移动位移信号 X，缸移动速度信号 V，缸腔工作压力信号 Pa、Pb，阀芯移动位移 VX1、VX2，以及油源工作压力 Ps。控制系统包含三个缸，因此需采集21 路信号。图 1 为液压挖掘机作业装置控制系统硬件结构框图。液压缸的移动位移、移动速度、缸腔工作压力等信号通过相应传感器采集。图图 1 液压挖掘机作业装置控制系统硬件结构框图液压挖掘机作业装置控制系统硬件结构框图 由图 1 可知，液压挖掘机作业装置控制系统设计主要包括：模拟量输入模块、模拟量输出模块、系统电源模块等模块设计。2 2 液压挖掘机控制系统模块设计液压挖掘机控制系统模块设计 2.12.1 电源模块电源模块 TMS20F2812 工作时，需要 3.3V 主电压和内核的 1.8V 两部分电压，而外部电压为 5V，因此需要电压转换。本文采用有限流、过载保护功能和输出电压精度为1%的 AMS1117 芯片，电路的外围输出端接上 47F 的电容，提高电源稳定性及瞬态响应。转换电路如图 2 所示。万方数据 朱清智 等 基于 DSP 的液压挖掘机作业装置控制系统研究 43 图图 2 电源模块电压转换电路电源模块电压转换电路 2.22.2 模拟量输出模块模拟量输出模块 TMS320F2812 芯片内部未集成 D/A 转换功能，电液伺服阀的控制信号采用扩展的 D/A 模块实现。图 3 为输出模块转换图。图图 3 模拟量输出模块结构框图模拟量输出模块结构框图 DSP 控制系统的 D/A 转换电路如图 4 所示，对芯片进行简单配置，就得到 05V、010V、-10V+10V 或-5V+5V 的电压输出。其中，片选信号为 CS，I/O 口的读写信号为 R/W，数据锁存信号为 LDAC。图图 4 D/A 模块接线图模块接线图 3 3 液压挖掘机控制系统的软件设计液压挖掘机控制系统的软件设计 软件设计采用结构化程序设计思想。主要有主程序、定时中断等程序组成，其中主程序由完成时钟、外设、定时中断等初始化配置，闭环控制是由定时中断服务子程序完成。3.13.1 主程序设计步骤主程序设计步骤 主程序的设计编写由以下步骤来完成：(1)控制系统的初始化；(2)清除 CPU 中断标志并中断；(3)中断向量表和控制寄存器进行初始化；(4)设中断配置；(5)初始化定时器 0，并设置定时时间值；(6)打开中断使能。3.23.2 中断程序中断程序 PID 控制算法在中断程序中完成，系统进行闭环控制时，利用中断程序每隔 1ms 进行一次运算，即先计算偏差，然后进行 PID 运算，计算后的控制信号传送至电液伺服阀。3.33.3 PIDPID 控制算法控制算法 PID 控制采用增量式算法，如图 5 所示为 PID控制算法流程图。图图 5 PID 算法流程图算法流程图 PID 控制算法如式(1)所示：u（k）=kp e（k）+Ki e（k）+kd（e（k）-e（k-1）(1)式(1)中e（k）为第k次采样的偏差值，kp、Ki、kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。将第k次偏差值和第（k-1）次输入偏差值展开得式(2)，使用采样前后三次的偏差值，就可求出控制量。u（k）=kp（e（k）-e（k-1）+Ki e（k）+kd（e（k）-2e（k-1）+e（k-2）(2)万