旋挖鉆機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)

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

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

旋挖鉆機(jī)鉆桅的垂直度直接影響到所鉆孔的質(zhì)量,對(duì)于提高工程機(jī)械作業(yè)效率有著很重要的意義,保證其在要求的范圍內(nèi)是控制系統(tǒng)應(yīng)完成的主要任務(wù)。所以旋挖鉆機(jī)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(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鉆具安全平穩(wěn)起豎,進(jìn)而保證旋挖鉆機(jī)鉆桅的垂直度在要求范圍內(nèi)。同時(shí),精確的井深測(cè)量也能極大提高工作效率。所以,它也是控制系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)。

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

1 計(jì)算機(jī)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(cè)傾角傳感器信號(hào)、比例閥反饋信號(hào)、液壓缸位置傳感器信號(hào)和操縱桿發(fā)來(lái)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(guò)轉(zhuǎn)換算法產(chǎn)生控制量(pwm信號(hào)),并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制電液比例閥,采用反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)液壓通道的精確同步控制,克服了鉆具起豎過(guò)程中由于兩個(gè)比例方向閥參數(shù)不一致而造成的歪斜。

旋挖鉆機(jī)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(cè)量控制系統(tǒng)、故障檢測(cè)系統(tǒng)和保護(hù)控制系統(tǒng)。為滿足不同旋挖鉆機(jī)的控制需要,本系統(tǒng)還具有控制參數(shù)設(shè)置和旋挖鉆機(jī)工作過(guò)程參數(shù)顯示等功能。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

·垂直度(圓周)誤差<0.2°,也就是在兩個(gè)正交軸上,傾角誤差的平方和的平方根小于0.2°;井深測(cè)量誤差可控制在小于10cm的范圍內(nèi)。
·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(guān)量輸出信號(hào),用于系統(tǒng)保護(hù)、告警和狀態(tài)指示。
·可控制兩個(gè)三位四通比例換向閥,驅(qū)動(dòng)電流大于2a。
·提供rs232接口,用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、故障檢測(cè),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(hào)處理、單片機(jī)、rs232接口、can總線接口、pwm功率放大、數(shù)字輸入輸出、計(jì)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(jié)構(gòu)圖如圖3所示,包括濾波、電源反接保護(hù)、過(guò)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(xiǎn)等電路。應(yīng)選用開關(guān)型穩(wěn)壓模塊,以實(shí)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(hù)電路使用整流電橋。pwm功率放大器的電源要經(jīng)過(guò)濾波器、速熔保險(xiǎn)和電源反接保護(hù)電路。過(guò)壓和欠壓狀態(tài)輸出使用比較器實(shí)現(xiàn),考慮了暫態(tài)問(wèn)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(zhǔn)電源和運(yùn)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(yùn)算放大器選用低噪聲、高精度的ts524i運(yùn)算放大器。

3．3 模擬信號(hào)處理部分

模擬信號(hào)經(jīng)本電路處理后,送入單片機(jī)的a/d轉(zhuǎn)換器和數(shù)字輸入端。為提高單片機(jī)系統(tǒng)端口的使用效率,本系統(tǒng)采用模擬開關(guān)(cd4053b)對(duì)比例方向閥反饋信號(hào)和單片機(jī)pwm輸出信號(hào)進(jìn)行切換,以減少a/d轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)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(hù)措施,在設(shè)計(jì)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(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)三位四通比例換向閥,而且具有完善的保護(hù)功能和斷路檢測(cè)功能,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁閥線圈故障,以便及時(shí)采取緊急處理措施。取樣電阻引回的反饋信號(hào)用于構(gòu)成串聯(lián)負(fù)反饋回路,以穩(wěn)定通過(guò)電磁閥線圈的電流,避免線圈溫度變化造成的驅(qū)動(dòng)電流波動(dòng)。

3．5 can總線接口

目前集成有can總線接口的單片機(jī)很多,一般均集成有1～4個(gè)can控制器,但這些芯片成本太高,本系統(tǒng)采用獨(dú)立的can控制器sja1000并配合pca82c250實(shí)現(xiàn)can2.0接口功能,其電路原理圖見(jiàn)圖5。考慮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(jī)接口,實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、故障檢測(cè)等功能。可直接利用單片機(jī)的uart口,配以rs232電平轉(zhuǎn)換芯片,方便地構(gòu)成rs232接口。為保證系統(tǒng)產(chǎn)生準(zhǔn)確的常用波特率,需要精心選擇單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。rs232電平轉(zhuǎn)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(kù)的液晶模塊,并配以照明電源、對(duì)比度調(diào)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(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離的限制,本系統(tǒng)使用一個(gè)專門的微處理器控制lcd。兩塊處理器之間的通訊通過(guò)spi串行通訊接口實(shí)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(jìn)入不同工作狀態(tài),為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),同時(shí)充分利用單片機(jī)提供的i2c兼容接口,該數(shù)字鍵盤采用zlg7290芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),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(hào),可提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,降低編程難度。

單片機(jī)采用atmel公司的mega128芯片,針對(duì)本系統(tǒng)中的應(yīng)用,它有以下優(yōu)點(diǎn):

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

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,考慮了isp編程接口。在初期設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,為了系統(tǒng)調(diào)試方便,采用了jtag調(diào)試接口。

數(shù)字輸入輸出接口直接利用單片機(jī)的i/o口實(shí)現(xiàn),計(jì)數(shù)器接口接收安裝在隨鉆細(xì)鋼絲繩滑輪上的霍耳傳感器的脈沖信號(hào),根據(jù)該信號(hào)利用滑輪的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算井深,這里直接利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)功能。

4 控制系統(tǒng)軟件

整個(gè)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(jí)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(yǔ)言進(jìn)行,開發(fā)軟件使用icc avr c6.28 軟件包,調(diào)試器使用atmel公司的jtage ice,調(diào)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(diǎn)和需求進(jìn)行分析可知,系統(tǒng)軟件需要完成的任務(wù)包括:數(shù)據(jù)檢測(cè)(包括a/d轉(zhuǎn)換、垂直度和位置指令脈寬測(cè)量等)、鍵盤掃描、lcd顯示、控制算法和pwm輸出、參數(shù)設(shè)定等。這些功能的實(shí)現(xiàn)需由mega128的下列資源來(lái)實(shí)現(xiàn):通用i/o、 adc、t0~t3定時(shí)器、中斷系統(tǒng)等。

由于管理lcd顯示的是單獨(dú)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(duì)顯示模塊進(jìn)行具體控制即可。這里只介紹主控制器的軟件實(shí)現(xiàn)。

4．1 主程序

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

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

4．2 中斷控制

控制軟件要實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)。對(duì)各個(gè)任務(wù)的調(diào)度和管理以及重要任務(wù)的實(shí)時(shí)執(zhí)行,就需要對(duì)各個(gè)中斷精確規(guī)劃和協(xié)調(diào)。

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

(1)t0定時(shí)器溢出中斷用于實(shí)現(xiàn)采樣周期定時(shí)。
(2)t2定時(shí)器溢出中斷用于對(duì)測(cè)量井深的霍耳傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)溢出中斷。
(3)外部中斷用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的檢測(cè)和操縱桿鎖定信號(hào)檢測(cè)。
(4)a/d 轉(zhuǎn)換完成中斷用于操縱桿指令和垂直度的轉(zhuǎn)換。
(5)uart0中斷用于控制系統(tǒng),使之通過(guò)串口與pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
(6)i2c總線中斷用于通過(guò)中斷實(shí)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(gè)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(jī)工作的不同階段,其優(yōu)先級(jí)也會(huì)有所不同。通過(guò)靈活的中斷設(shè)置與協(xié)調(diào),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度管理。

4.3 控制規(guī)律設(shè)計(jì)

為了迅速、穩(wěn)定、可靠地完成旋挖鉆機(jī)垂直起豎控制,整個(gè)控制過(guò)程分為手動(dòng)控制和自動(dòng)搜尋控制。

4．3.1 手動(dòng)控制

手動(dòng)控制采用開環(huán)控制使驅(qū)動(dòng)旋挖鉆機(jī)的兩個(gè)液壓缸在操縱員的控制下滿足如下三種不同工作要求:當(dāng)操縱桿只有俯仰指令而無(wú)滾轉(zhuǎn)指令時(shí),其中一個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)跟隨另一個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng);當(dāng)操縱桿只有滾轉(zhuǎn)指令而無(wú)俯仰指令時(shí),兩個(gè)液壓缸作差動(dòng)運(yùn)動(dòng);當(dāng)操縱桿既有俯仰指令又有滾轉(zhuǎn)指令時(shí),則兩個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)是上述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。

4.3.2 自動(dòng)控制

當(dāng)手工操作鉆桅進(jìn)入自動(dòng)搜尋區(qū)域時(shí),則按下操縱桿上的自動(dòng)搜尋按鈕,單片機(jī)系統(tǒng)便斷開操縱桿指令,利用角位置傳感器信號(hào)控制液壓缸運(yùn)動(dòng),并按正交搜索策略搜索。整個(gè)控制在t0的中斷中實(shí)現(xiàn)。程序流程圖見(jiàn)圖6。

4．4 pid 控制算法

為了方便更改pid控制參數(shù),加快調(diào)試參數(shù)的效率,在進(jìn)入閉環(huán)控制后,通過(guò)外部按鍵進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定狀態(tài),此時(shí)暫時(shí)退出閉環(huán)控制;然后通過(guò)按鍵分別設(shè)置kp、ki、kd等參數(shù),當(dāng)新的參數(shù)投入使用后,重新進(jìn)入閉環(huán)工作狀態(tài)。pid控制算法程序流程圖見(jiàn)圖7。