衛(wèi) 進(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100083)

　　摘　要：介紹了一種專門為旋挖鉆機的垂直起豎和井深測量而設計的控制系統(tǒng)的原理、實現(xiàn)方法和軟硬件構成等。該系統(tǒng)基于高性能八位微處理器Mega128而設計,集成了垂直度檢測、井深測量、垂直度控制和操作指示等功能。

　　關鍵詞：旋挖鉆機 電液比例控制 Mega128 PID PWM

　　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,根據控制算法產生控制數(shù)據,控制數(shù)據經過轉換算法產生控制量(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。

圖1旋挖鉆機控制系統(tǒng)結構圖

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。

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。

圖2 系統(tǒng)配置框圖

圖3 電源部分結構圖

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。

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