基于51单片机的电液比例控制系统设计Word格式文档下载.docx

基于51单片机的电液比例控制系统设计Word格式文档下载.docx

《基于51单片机的电液比例控制系统设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的电液比例控制系统设计Word格式文档下载.docx（43页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofmicro-electronics,intellectualtechnology,sensinganddetectiontechnologyandthecontinuouspenetrationofthemintothefieldofengineeringmechanisms,modernengineeringmechanismisinanewageoftheintegrationofmechanism,electricsandhydraulicpressure.Electro-hydraulicproportionalcontrolsystemhasalotofadvantages，suchasthehighcontrolaccuracy,theflexibleinstallationanduse,thestrongresistanceoncontaminationandsoon,sothattheapplicationofelectro-hydraulicproportionalcontrolsystemhasincreasinglybroadened.TheElectro-HydraulicproportionalcontrolsystemthatbasedonC8051F040controllerinthispaperhashigherstabilityanddependabilityandreal-timeresponsivecapacity,comparedtothatbasedontraditionalsinglechips.Therefore,itcanadapttotheapplicationenvironmentofthemodernengineeringmechanismbetterthanothercontrolsystemsinourcountry.Firstly,itisdescribedthedevelopmenthistory,basicprincipleandtheclassificationoftheElectro-hydraulicproportionalcontrolsysteminthispaper.Secondly,thispaperintroducesthefunctionofthewholecontrolsystemandthebasichardwarestructurewhichisbasedontheC8051F040controllerindetail.Then,thispaperelaboratestheprincipleandthedesignprocessofthedriveroftheelectro-hydraulicproportionalcontrolsystemwhichisconsistedofthemotor-drivenchipLMD18200.Atthelastofthispaper,itdiscussesthedesignoftheprogramofthewholeelectro-Hydraulicproportionalcontrolsystem.

KeyWords:

Electro-hydraulicproportionalcontrol,C8051F,LMD18200,PID

1前言

1.1课题背景及目的

现代微电子技术的发展，特别是计算机技术的普及和发展，为实现各类工艺过程的最佳控制提供了技术基础。

因此，工程控制的应用已逐步从航天，航空和军事领域普及到民用工业部门。

工程机械是为国民经济建设和社会发展提供各类机械装备和生产制造技术以创造财富和提高社会文明水准的重要工程领域，是与人类社会活动关系十分密切，应用非常广泛的工程领域。

改革开放20多年来，国民经济突飞猛进，国家基础建设蓬勃发展，带动着国内工程机械的需求，推动着工程机械的发展。

近十年来随着技术的引进、消化、吸收，国内工程机械有了长足的进步，产品质量、可靠性、外观都有较大幅度的提高，但同国外工程机械比较来看，还存在较大差距。

虽然工程机械在我国起步较早，但由于众多方面的原因，国产水平一直止步不前。

作为在工程机械领域中中广泛用到的电液比例阀及其控制器，我国大都采用的是进口设备，这就带来了工程机械成本高昂以及不太适用国内施工条件的技术问题。

国内目前有部分院校已经开展了这方面的研究，例如浙江大学的流控所在流体控制方面的技术研究一直处于世界先进水平，吉林工业大学在实践方面也做出了一些成果，他们开发出了用于装载机的计算机电液比例控制模块。

本课题中，如果我们能将嵌入式电液比例控制系统成功地运用到工程机械这一领域，不但是一项技术创新，而且可以在使用国产的各种比例阀和传感器的基础上，提高控制系统的可靠性与灵敏快速性。

这样就可以减少工程设备的硬件投资与设备的管理维护费用，使其成本比同类国际产品低，可靠性比国内同类产品高，更适合我国工程机械领域的现状，从而为工程机械的机电液一体化开辟了广阔前景[1]。

1.2国内外电液控制研究状况

对于电液比例控制技术，国内不仅已开展相关的研究而且已经达到广泛的实际应用，但目前国内的制造和技术水平还落后于国际水平。

我国的电液控制技术起步较晚，始于上世纪六十年代，到七十年代中期才开始发展。

国内自主开发的计算机电液比例控制与监控系统由于技术不成熟，在工程机械上的开发应用才刚刚起步。

在相关技术方面，厂家要么采用的是机械、液压控制，要么全套引自国外厂家的产品，整体的技术水平以及创新能力还不是很强。

总的来看，我国电液比例控制技术与国际水平相比还存在较大的差距，主要表现在：

缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，存在各类比例泵、比例阀等，国内设计生产的品种比较少，并缺乏足够的工业性试验研究；

在控制技术方面，自动化程度不高，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。

电液比例控制技术在欧美发达国家已经非常先进成熟，并在各类工程机械领域中得到了广泛的应用，至今已形成了完整的产品品种、规格系列。

欧美发达国家生产工程机械的主要国家如德国、美国、英国、法国、意大利及亚洲的日本等，由于其本身技术的先进性，早已开展计算机控制与智能监控技术在工程机械领域中的应用研究。

国际一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司、德国的力士乐和博世公司等居世界领先地位。

德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了比例阀、可编程序控制器和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善，成本显著降低，迅速占领了欧美各种拖拉机的应用市场。

在国外工程机械计算机控制与智能监控系统方面，以德国利渤海尔公司的LICON机电一体控制系统和O&

K公司的起重机控制系统（BCS）为代表。

该系统的应用，使得工程机械从传统的第一、第二代的机、液控制，成为计算机电液控制的和自我故障诊断的智能系统，走向机、电、液一体化。

此外，日本日立公司的Dr.EX故障诊断系统，采用的是插入机上手持式终端形式，也可认为是机载控制系统的另一种发展方向[1]。

1.3控制器概述

本系统采用的是美国Silabs公司的C8051F040单片机作为控制器对系统进行控制，它是属于C8051F系列单片机的一种。

C8051F系列单片机除具有一般单片机的共同特点之外，它与80C51系列单片机的主要相同点是其内核与8051基本相同，指令系统完全一样。

C8051F系列单片机采用了流水线结构，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，处理能力大大增强。

在相同时钟下，指令运行速度比一般的8051系列单片机提高了大约10倍。

在这种控制器中，其I/O接口的特殊功能可以由软件配置实现，这样极大的提高了端口配置的灵活性。

在这种单片机中，采用了一个更加完善和先进的时钟系统，可以采用多种时钟源。

可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。

如果有需要，在程序运行时，可以实现时钟的内外部切换。

在C8051F中，还提供了片内JTAG接口和调试电路，使8位单片机传统的仿真调试产生质的变化，可以对最终的应用系统进行非侵入式、实时在系统调试仿真。

另外，该种单片机提供了多种复位方式，总共有多达7个复位源：

1个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、1个时钟失效检测器、1个由比较器0提供的电压检测器、1个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。

这样，提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。

由于单片机采用了多种低功耗技术，例如采用3V供电，并且可以关闭片上外设，因而使系统的平均功耗大大降低。

1.4设计过程

本文针对工程机械中经常用到的汽车起重机，在全面，有层次地分析其整体功能的基础上，设计出以C8051F040微控制器为核心的电液比例控制器，并选择合适的元器件，设计出外围设备硬件电路，以求满足汽车起重机的基本功能需求，然后利用Protel完成系统原理图和电路板的设计。

最后，利用C语言设计出整个电液比例控制系统的软件部分。

1.5本文的组成

本文主要分为五章：

第一章介绍本设计的背景，目的以及国内外的研究状况；

第二章对电液比例控制技术的发展历史，特点，分类，以及未来的发展趋势进行了简要的介绍；

第三章首先介绍了控制器C8051F040，接着对系统硬件结构各个模块进行了比较详细的介绍；

第四章介绍了电液比例控制驱动阀的电路设计，重点介绍了电机驱动芯片LMD18200；

第五章详细介绍了系统的软件设计。

2电液比例控制技术

2.1概述

电液比例控制技术是一门比较年轻的技术,它的发展和普遍应用还不到50年,然而,凭借它的优点却形成了流体传动与控制领域的一个重要分支,并作为连结现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁,已经成为现代控制工程的基本技术之一。

电液比例控制系统由电子放大及调节单元、电液比例控制单元（含机械转换器在内的比例阀、电液比例变量泵及变量马达）、动力执行单元及动力源、工程负载及信号检测反馈处理单元所组成。

电液比例控制常用于开环系统，其控制方框图如图1所示。

控制器（计算机）给出的信号通常是电压信号，经电控器处理放大后向电液比例阀的比例电磁铁（力马达）输送直流电流I，电磁铁将I按比例转换成电磁力Fp,Fp通过弹性元件作用在控制阀的阀芯上，使之产生相应的位移，从而控制液流的流量、压力和方向，通过执行元件（液压缸或液压马达）使负载（如铲刀）获得随信号的大小和性质变化而连续地成比例变化的力F（扭矩）、速度V（角速度）或位移。

开环控制的精度较低且没有跟踪功能。

如果系统要求精度较高，可对开环系统的输出量检测并反馈到控制器，使之与指令信号进行比较，得到差值Δe=ei−eb后再经电控器去控制电液比例阀。

图2是闭环电流比例控制简化方框图。

图1开环电液比例控制系统

Figure1Open-loopelectrohydraulicproportionalcontrolsystem

图2闭环电液比例控制系统

Figure2Closed-loopelectrohydraulicproportionalcontrolsystem

2.2电液比例控制技术的发展历史

电液比例控制技术从形成至今,大致上可划分为四个阶段：

（1）从1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀，到70年代日本油研公司申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生时期。

此间，比例技术开始在液压控制领域中作为独立的分支，并以开环控制应用为主。

这一阶段的比例阀仅仅是将新型电-机械转换器（比例电磁铁）用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调接手柄，阀的结构原理和设计方法几乎没有变化，阀内不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在1～5Hz之间，稳态滞环在4%～7%之间，多用于开环控制。

（2）从1975年到1980年，比例技术的发展进入到第二阶段。

这是比例技术发展最快的时期。

此间，采用各种内部反馈原理的比例元件相继问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上已经成熟。

比例元件的工作频宽已达5～15Hz,滞环减小到3%左右，其应用领域不断扩大。

20世纪70年代后期比例变量泵和比例执行器相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基础。

应用领域扩大到闭环控制。

（3）到了20世纪80年代，比例技术的发展进入了第三阶段。

这一阶段，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力，流量，位移反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳定精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。

除了制造成本的原因，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀相当。

这一阶段的另一项重大进展是比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种不同功能和常规的二通、三通型比例插装阀，形成了电液比例插装技术。

此外，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了带集成放大器的电液一体化比例元件。

（4）从1990年至今，是比例技术进一步完善的阶段。

这一阶段有两项重要的新产品问世。

其一是推出了伺服比例阀。

这种阀的电-机械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用伺服阀的结构和加工工艺，解决了闭环控制要求死区小的问题。

它的性能与价格介于伺服阀和普通比例方向阀之间，但它对油液的清洁度要求低于电液伺服阀，特别适用于各种工业闭环控制。

其二是计算机技术与比例元件相结合，开发出了数字式比例元件和数字式比例系统，并形成了不同总线标准的数字比例元件接口。

随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展，先是在比例放大器中采用数字芯片，部分信号的处理、调整和运算采用编程手段实现。

最近，电液数字控制块、大型数字式控制系统相继开发应用，数字比例控制的产品已经由芯片级发展到了系统级，即指令、比较、反馈、PID调节均由计算机系统实现。

数字式电液系统实际上是电液数-模转换系统，这项技术已趋成熟，并形成了系列化的产品[2]。

2.3电液比例控制的特点

电液比例控制系统主要有以下特点：

（1）可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性，可在电控制器中预设斜坡函数，实现精确而无冲击的加速或减速，不但改善了控制过程品质，还可缩短工作循环时间；

（2）利用电信号便于实现远距离控制或遥控。

将阀布置在最合适的位置，提高主机的设计柔性；

（3）利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标；

（4）能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控制，并易实现自动无级调速。

2.4电液比例控制系统的分类

电液比例控制系统可以从不同的角度按很多方式来进行分类。

电液伺服控制系统是一种广义上的比例控制系统。

因而比例控制可以参照伺服控制按代表系统一定特点的分类方式进行分类。

按被控量是否被检测和反馈来分类，可分为开环比例控制和闭环比例控制系统。

由于比例阀是适应较低精度的控制系统而开发的产品，目前的应用以开环控制为主。

随着整体闭环比例阀的出现，其主要性能与伺服阀无异，因而采用闭环比例控制的场合也会越来越多。

按控制信号的形式来进行分类，可分为模拟控制和数字式控制。

后者又分为脉宽调制、脉码调制和脉数调制等。

按比例组件的类型来分类，可分为比例节流阀控制和比例容积控制两大类。

比例节流控制适用于功率较小的系统，而比例容积控制用在功率较大的场合。

目前，最通用的分类方式是按被控对象（量或参数）来进行分类。

由此电液比例控制系统可以分为：

（1）比例流量控制系统；

（2）比例压力控制系统；

（3）比例流量压力控制系统；

（4）比例速度控制系统；

（5）比例位置控制系统；

（6）比例力控制系统；

（7）比例同步控制系统。

2.5电液比例控制系统的未来发展趋势

电液比例控制系统的发展趋势主要有以下几点：

（1）提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。

提高电液比例阀及远控多路阀的性能，使之适应野外工作条件。

并发展低成本比例阀，其主要零件与标准阀通用。

（2）比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是结构简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成；

此外出现比例容积控制为中、大功率控制系统节能提供新手段。

（3）由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件，极大地提高了比例阀（电反馈）的工作频宽。

其主要表现有：

①高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1986年西德BOSCH公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器，并含有位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区，滞环仅0．3％，零区压力增益达3％额定控制电压，负载腔达80％供油压力，工作频宽和性能已达高水平伺服阀，而成本仅为后者的1／3。

②带集成式放大器的位移传感器（200Hz）的开发，为电反馈比例阀小型化，集成化创造良好的条件。

③伺服比例阀（闭环比例阀）内装放大器，具有伺服阀的各种特性：

零遮盖、高精度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性。

④PID调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之有较好的动态响应指标，可利用计算机对PID参数进行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路PID参数的优良匹配。

3控制系统硬件结构

3.1控制系统功能概述

本系统主要用于汽车起重机的电液比例控制。

通过控制手柄信号的输入从而控制汽车起重机的卷扬、变幅、伸缩和回转四个动作。

向X、Y方向扳动左右手柄对应的具体的操作有：

回转、变幅、伸缩/副卷扬、主卷扬。

其中伸缩的动作有特殊的地方，吊臂由多节臂构成，由两个油缸I和II按一定顺序共同控制吊臂的伸缩；

在强制键未按下时，I缸和II缸是顺序工作的，规则是伸出时先伸I缸到位后伸II缸，而收缩时是先收II缸到位然后收I缸；

当按下强制键时，顺序控制失效，由操纵面板上的强伸II/强缩I来选择控制的是哪一个油缸。

在本系统中，由于所要控制的五个动作都可由相同的电液比例控制单元来完成，因此在本设计中只针对单独一个电液比例控制单元来进行分析，以方便问题的研究。

综合上述系统的功能需求，整个系统的硬件电路框图如图3所示：

图3电液比例控制系统硬件结构图

Figure3Electrohydraulicproportionalcontrolsystemhardwarestructure

3.1.1硬件电路设计思路

本系统的目的是通过控制输出电流的大小来控制电液比例阀的移动。

通过手柄输入的电压值，以及电液比例阀组的反馈电流值，我们组成一个闭环控制系统。

将二者所产生的差值经过AD转换变换成数字量，然后根据这个数字量，并通过PID运算，计算出输出方波的占空比，通过C8051F040的可编程计数器阵列PCA输出PWM波，将其输入到PWM驱动芯片，来控制电液比例阀的移动。

3.1.2控制系统框图

图4控制系统框图

Figure4Controlsystemdiagram

3.2主控制器C8051F040的介绍

本系统采用美国Silabs公司推出的C8051F040单片机作为主控制器，下面简要了解一下这种单片机。

3.2.1C8051F040概述

C8051F040是Silabs公司推出的C8051F系列单片机的一种，这种系列单片机的推出，使得80C51系列单片机从微控制器（MCU）时代步入了片上系统（SOC）时代，使得以8051为内核的单片机上了一个新的台阶。

SOC即SYSTEMONCHIP的缩写，意思是把计算机常用的一些数字和模拟外设等全部都做在一块芯片上，使它成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。

C8051F系列单片机是一种高度集成的SOC型芯片，具有与8051单片机兼容的微控制器内核，与MCS-51指令系统完全兼容。

除具有标准8051的数字外设部件外，片内还具有数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其他数字外设部件。

该单片机中增加的外设或功能部件包括：

模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、增强型UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、电源监视器、看门狗定时器（WDT）和时钟振荡器等。

所有器件都有内置的FLASH程序存储器（简称闪存）和256B的内部RAM，有些器件内部有位于外部数据空间的RAM。

图5C8051F040结构框图

Figure5C8051F040structurediagram

3.2.2C8051F040的组成及特性

C8051F040主要由以下几个部分组成：

●CIP-51微控制器内核：

C8051F040单片机采用Silabs公司的专利CIP-51微控制器内核。

CIP-51内核具有标准的8052的所有外设部件，包括5个16位的计数/定时器、2个全双工UART、256B内部RAM空间、128B特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8个8位的I/O端口。

C8051F040系列的MCU与标准的8051相比，在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于应用。

●中断系统：

扩展的终端系统可响应21个中断源（标准的8051只有5个中断源）的中断申请，在设计多任务实时系统时，这些增加的中断源大大增加了单片机对外界复杂多变情况的反应能力。

●存储器：

它包括256B的核内数据RAM，某些单片机中还有位于外部数据存储器地址空间的4KB的RAM内存区。

C8051F040单片机中还有可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。

C8051F040的程序存储器为64KB的FLASH存储器，称为闪存。

●模数和数模转换模块：

C8051F040单片机内部还有A/D转换模块，转换位数为8位和12位。

外部输入通道为8路，可被配置为单端输入或者