基于單片機的電液比例閥的驅(qū)動控制系統(tǒng)優(yōu)化研究摘要電液控制技術(shù)是液壓技術(shù)的一個重要分支，電液比例閥是通過比例電磁鐵和閥芯為核心的機械裝置，將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為成比例的電流，壓力輸出的元件。而電液比例閥的驅(qū)動，與電氣和計算機控制結(jié)合的越來越緊密。傳統(tǒng)的電液比例閥驅(qū)動電路使用大量硬件控制，其系統(tǒng)成本比較高，維護費用也不是很理想，而且精度業(yè)慢慢落伍。因此，本文在硬件電路控制的傳統(tǒng)電液比例閥驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了以C8051F040為控制器核心的電液比例驅(qū)動。用C語言進行編程，得出系統(tǒng)軟件控制部分。改進了電液比例閥，提升了它的自動化程度，控制精度也有很大改善。關(guān)鍵詞：電液比例閥；驅(qū)動電路；單片機第一章緒論1.1研究背景及目的傳統(tǒng)工業(yè)的不斷發(fā)展現(xiàn)代化要求液壓閥的自動化，運行速度等相關(guān)性能越來越高，之前感覺不錯的液壓閥逐漸落伍并淘汰，在其基礎(chǔ)上，與伺服閥結(jié)合并簡化，出現(xiàn)了電液比例閥。它與之前的閥類產(chǎn)品相比，具有簡單的結(jié)構(gòu)，制造方便，修理維護所需費用更低，而且它的類型各式各樣。不同之處在于引入了比例電磁鐵,這使得液壓控制量的調(diào)節(jié)方法發(fā)生了"人、閥到"電信號"閥"的變化改進。這樣,液壓閥將參與眾多的自動控制過程。電液控制技術(shù)的原型，最早出現(xiàn)在船舶的操舵裝置。之后因為二戰(zhàn)的爆發(fā)，隨著軍事戰(zhàn)爭的需要，對液壓伺服系統(tǒng)的研究也進入了快車道。1940年底具有現(xiàn)代化雛形的電液伺服系統(tǒng)，被用于飛行器上。之后，它發(fā)展的更加先進，它有著更快的運行速度和更高的精準度。到了60年代，伺服閥的研制和使用更加深入和多樣化，它的結(jié)構(gòu)也更加復雜。這也讓電液伺服系統(tǒng)得到了發(fā)展和進步。與之相匹配的比例閥的電控系統(tǒng)的性能是保持電源停止。信號管理必須將低振幅和高頻率的信號疊加在一起,以克服摩擦,另外還要保證管理的靈活性。傾斜信號發(fā)生器需要調(diào)節(jié)壓力、位移等參數(shù)。曾經(jīng)在二十世紀九十年代，比例閥的工作頻率為10Hz或更大。在自動控制和計算機的不斷發(fā)展的潮流下，比例電磁閥體現(xiàn)出了他的顯著的優(yōu)勢。使之成為現(xiàn)代工業(yè)和自動控制領(lǐng)域的發(fā)展潮流之一。相關(guān)機構(gòu)曾研究中國市場對電磁閥的需求。數(shù)據(jù)表明其數(shù)學模型呈金字塔結(jié)構(gòu)：從外國進口位于塔尖，其以高質(zhì)量壟斷了大部分高端公司客戶；但不止著眼于外國品牌，愈來愈重視產(chǎn)品品質(zhì)。產(chǎn)品成本也一降再降。最終不斷吞食著進口產(chǎn)品在中國市場的份額。產(chǎn)品質(zhì)量永遠是用戶下決策的關(guān)鍵因素。因為只要價格不太離譜，質(zhì)量更好，更有保障的產(chǎn)品能夠更長時間的保持正常工作運行，節(jié)省維修的費用。在硬件電路控制的傳統(tǒng)電液比例閥驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用本科四年所學的單片機，自動控制理論等知識，以軟件代替部分復雜的硬件電路。以C8051F040為主，輔以相關(guān)有用器件，構(gòu)成系統(tǒng)。用C語言進行編程。最終使電液比例閥驅(qū)動系統(tǒng)的自動化程度得到明顯改進，使其維護更加方便。提高其速度精度和穩(wěn)定性。1.2領(lǐng)域研究形勢我國已開展電液比例控制技術(shù)相關(guān)的研究多年，而且其實際應(yīng)用相當廣泛和受歡迎，但我國目前的綜合水平仍然落后于國際的制造水平和技術(shù)水平。二十世紀六十年代，我國的電液控制技術(shù)才開始起步，然后是七十年代的緩慢進步發(fā)展。我國相關(guān)技術(shù)能力和計算機相關(guān)系統(tǒng)還很稚嫩。廠家大部分都從國外公司引進。總體上，我國與國際相比，水平上的差距還很大。主要的差距在：缺乏有影響力的國際主流技術(shù)產(chǎn)品，而且各種產(chǎn)品型號不全，品種雜亂。比例泵、比例閥等存在著多品種的情況，國內(nèi)款式和生產(chǎn)品種較少以及缺乏足夠的可靠的工業(yè)實驗研究；驅(qū)動技術(shù)的自動化程度不高，標準不穩(wěn)定，性能水平低等問題，這種情況阻礙了技術(shù)設(shè)施的進一步擴大，應(yīng)盡快改進。歐美發(fā)達國家的電液比例閥技術(shù)先進得很，在各類工程機械中得到廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造了一整套商品、系列規(guī)格。歐美發(fā)達國家如歐洲國家、美國、英國、法國、等工程機械安裝大國，由于自身技術(shù)先進，早已將計算機管理和智能觀測技術(shù)分布在工程機械的分析應(yīng)用領(lǐng)域。歐洲的HieronymusBosch公司設(shè)計了農(nóng)用自動控制系統(tǒng)，出現(xiàn)了比例閥、以使其電子系統(tǒng)能很好地工作，大大降低了成本，以力博海爾機械集成的LICON系統(tǒng)和O&K系統(tǒng)（BCS）為代表。該系統(tǒng)的安裝使工程機械從標準的初始和第二代機械的液壓管理、計算機電液驅(qū)動和自我診斷的智能系統(tǒng)，到機械、電力和液體的結(jié)合。1.3基本分析傳統(tǒng)比例閥由于模擬設(shè)備的分散性,從而導致電路的復雜,模擬設(shè)備的操作簡單,用于通用設(shè)備系統(tǒng)的部分電氣控制的模擬電子器件有一些缺點,如溫度漂移大、調(diào)整麻煩、許多獨立的元件、操作單一等。而對于它的驅(qū)動，通常有一對控制模式,一個是模擬控制,另一個是脈寬調(diào)制。由于控制模式具有高傳導性、合理的動態(tài)特性、利用方波的高階諧波產(chǎn)生振蕩電流和PC控制的便利性等特點,成為比例閥的控制模式的主流。比例閥采用脈寬調(diào)制和硬件驅(qū)動的控制方式。1.4設(shè)計過程本論文在工程機械中經(jīng)常用到的傳統(tǒng)電液比例閥基礎(chǔ)上進行研究和開發(fā)設(shè)計，根據(jù)它硬件多，自動化程度低的缺點，有針對性的利用電氣與自動控制等相關(guān)知識，將其與單片機，PID算法，C語言程序控制等結(jié)合，并選擇相匹配的元件與芯片，構(gòu)建出外圍硬件電路，改進了電液比例閥，提升了它的自動化程度，功能集成度更高、綜合提高了它的整體性能。而且考慮了系統(tǒng)在抗干擾方面的部分需求，可以經(jīng)受起一定的干擾信號，使本系統(tǒng)的實用性更加良好。1.5論文結(jié)構(gòu)第一章：緒論部分。主要介紹本次設(shè)計涉及到的技術(shù)領(lǐng)域——電液比例控制和其發(fā)展歷史，產(chǎn)業(yè)布局。并進一步分析了本次設(shè)計的研究目的，確定了大致過程，得出了框架。第二章：進一步分析了電液比例控制的實現(xiàn)基礎(chǔ)，工作原理，組成及特點，以及在之后幾年內(nèi)它的發(fā)展方向和趨勢。為之后自己的研究改進有了很大啟發(fā)。第三章：第一部分對過去的電液比例閥的控制系統(tǒng)進行了分析總結(jié)。第二部分是控制器的選型，寫了選型原則并引入C8051F040，對其進行了詳細介紹和它的特點，作為了選型依據(jù)。第三部分簡要概述了控制器的數(shù)字輸入輸出模塊，中斷管理模塊。第四部分是對硬件電路抗擾性的相關(guān)分析和解決措施的提出。第四章：是本研究的驅(qū)動電路的設(shè)計部分。先簡介了電液比例閥，得出了自己對驅(qū)動電路的設(shè)計思路并引入了LMD18200作為PWM驅(qū)動芯片。并對它進行了結(jié)構(gòu)，引腳說明，連接方式等多方面的介紹。第五章：是控制器的軟件控制算法部分。先是對經(jīng)典理論——PID控制詳細闡述：環(huán)節(jié)分析，作用綜述，參數(shù)調(diào)節(jié)；第二部分是編程語言的選擇和C語言優(yōu)勢的研究；第三部分是各個模塊的程序設(shè)計及代碼；最后，是本設(shè)計的軟件抗干擾部分。第六章：結(jié)論部分?？偨Y(jié)本次設(shè)計的改進部分，也指出存在的不足。第二章電液比例控制技術(shù)2.1概述比例電液閥是在普通液壓控制閥的基礎(chǔ)上，將電信號輸出轉(zhuǎn)化為唯一等信號，恒定控制液壓工件機構(gòu)中工作介質(zhì)的壓力、電流等。操作時，比例電磁鐵應(yīng)根據(jù)輸入接收器的信號，使線圈移動，并轉(zhuǎn)換為成比例的電流。線圈的運動通常是機械反饋。它將持續(xù)和成比例地管理執(zhí)行機構(gòu)的力、速度和方向，簡化系統(tǒng)并減少使用的元件數(shù)量。比例閥特別用于回路中，而對于位置控制或系統(tǒng)容量增強要求等少數(shù)場合，電液比例閥也可用作轉(zhuǎn)換和放大信號的元件，以形成閉環(huán)系統(tǒng)。較之開關(guān)類閥門，比例閥反應(yīng)迅速，管理精度高，易于理解程序化管理，自動化程度高，這將有效提高控制的準確性。輸入信號電壓類型被傳輸?shù)较到y(tǒng)的電子設(shè)備。電磁鐵使執(zhí)行機構(gòu)控以與輸入電流成比例的力移動或擺動,從而使輸出壓力或電流得到適當值,以實現(xiàn)驅(qū)動機構(gòu)的位移。只要信號的電氣量發(fā)生變化,機構(gòu)的輸出力或位移也會隨之發(fā)生變化。如果控制系統(tǒng)的輸出被檢測到并返回到傳動機構(gòu)或電子裝置進行必要的比較和處理,那么它就會相應(yīng)地修改到力馬達上,其電流相應(yīng)變化,從而使機構(gòu)在新的狀態(tài)下工作。這就是閉環(huán)控制系統(tǒng)。電液比例變速齒輪有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，開環(huán)方式應(yīng)用廣泛，簡化的方框圖如圖1-1所示?？刂瓢澹ㄓ嬎銠C、PLC等）提供一個由處理器處理和加強的電壓信號，傳輸該信號I，將I引入比例電磁閥，然后將I轉(zhuǎn)換成比例電磁力FP，迫使閥芯移動，圖二顯示了封閉電流比例控制的簡化流程圖。圖1-1開環(huán)電液比例控制系統(tǒng)圖1-2閉環(huán)電液比例控制系統(tǒng)2.2發(fā)展歷史從開始出現(xiàn)使用到今天大范圍高深度的應(yīng)用，分為：1.源于60年代。許多技術(shù)領(lǐng)域?qū)﹄娨嚎刂萍夹g(shù)的需求是額外的引人注目和急切的。但是,之前的電液伺服閥生產(chǎn)價值和維護價值高耗能多，被工業(yè)用戶接受起來很麻煩。新改進的電液控制其控制精度和響應(yīng)符合工程技術(shù)的特殊需要。自六十年代以來迅速發(fā)展。在本階段中,新的電動機械裝置出現(xiàn)。構(gòu)造方法大體相同。沒有對閥門內(nèi)的控制參數(shù)進行閉環(huán)控制。2.70年代后期開始進入下一階段，是發(fā)展最快的時期。在這一時期,支持眾多DOC反饋原理的比例部件有了一次騰飛,相關(guān)技術(shù)走向成熟，為高能耗系統(tǒng)的節(jié)能訂購了技術(shù)基礎(chǔ)。范圍擴大到閉環(huán)管理。3.80年代是下一時期.它改進了管理閥的外觀原理,采用了內(nèi)外擴裝置,進一步提高了閥的穩(wěn)定性。伺服閥的穩(wěn)態(tài)特性和頻率響應(yīng)可能為5到30Hz。除裝配價格的原因外,比例閥在中位還保持在死區(qū),尺寸、滯后、滯后等特性的這一階段另一個必要進展是比例技術(shù)與活塞閥的結(jié)合,同時還開發(fā)了配套的雙向、多邊恒動比例活塞閥和傳統(tǒng)的比例活塞閥,形成了電液比例活塞閥技術(shù)。另外,由于傳感器和電子設(shè)備的小型化,在一體化電子設(shè)備中,出現(xiàn)了電液比例閥和集成放大器的一體化。4.從1990年到現(xiàn)在,比例技術(shù)得到了越來越多的改進,在電子技術(shù)的推動下,比例管理技術(shù)又達到了一個很好的水平，例如實現(xiàn)復雜了的程序管理,坡度功能是在電子控制系統(tǒng)中預設(shè)的,以估計正確和無障礙的加速或減速,這不僅提高了控制過程的穩(wěn)定性,而且還縮短了操作周期時間。2.3電液比例控制的特點（1)使用電信號可方便遙控。將閥門放在最合適的位置,以提高主機的靈活性。(2)利用反饋改善了控制精度，能夠達到特殊的控制目地。（3)比例技術(shù)是雙向和三芯技術(shù)的混合,是一種比例技術(shù),具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、流阻微小、油氣流量大、易于集成等特點。比例容積管理為大中型網(wǎng)絡(luò)提供了一種全新的節(jié)能手段,減少了一次能源的浪費。（4)由于傳感器和器件的小型,出現(xiàn)了傳感器、檢測放大器、驅(qū)動放大器和閥門的集成元件,大大提高了測量比例閥的運行信息量(電反饋)的精度。大多數(shù)性能如下:一。開發(fā)高頻率響應(yīng)、低功率消耗的比例設(shè)備和高頻比例電磁鐵。集成電子儀器位移傳感(200Hz)為電反饋比例閥的收縮和集成創(chuàng)造了有利條件.比例閥內(nèi)含放大器是更可靠的閥門。2.4電液比例控制系統(tǒng)的組成電液比例系統(tǒng)由放大和補償單元、動力機構(gòu)和電源、補償單元，工程負載以及數(shù)據(jù)采集和反饋單元組成。由操作控點、控制器、PWM控制電路、比例噴槍、與機構(gòu)結(jié)合的電油壓式比例閥等構(gòu)成。比例電磁鐵是系統(tǒng)的一個機電裝置可將輸出信號轉(zhuǎn)換成其它物理量比如位移，力。該系統(tǒng)通過引入感應(yīng)式液壓(壓力和流量)和機械參數(shù)中間變量的控制系統(tǒng)或感應(yīng)式機構(gòu)輸出參數(shù)的控制系統(tǒng),提高了其穩(wěn)態(tài)管理的準確性和動態(tài)質(zhì)量。信號處理單元通常由模擬電子電路、數(shù)字芯片或計算機加以補充。數(shù)字計算機電路在準確性、響應(yīng)性和穩(wěn)定性方面有了優(yōu)勢。實現(xiàn)復雜了的程序管理,例如坡度功能是在電子控制系統(tǒng)中預設(shè)的,以估計正確和無障礙的加速或減速,這不僅提高了控制過程的穩(wěn)定性,而且還縮短了操作周期時間。2.5未來發(fā)展趨勢電液比例閥技術(shù)是機電一體化和機械學的綜合技術(shù),起步晚但發(fā)展快,應(yīng)用廣。盡管其動態(tài)響應(yīng)很容易低于伺服閥，并且在極大的參數(shù)調(diào)整下運行，因此，驅(qū)動回路中的非線性因素不可以忽略，比例電液系統(tǒng)的趨勢主要是幾個方面：1.比例閥。提高比例閥的性能以適應(yīng)機電一體化，提高閥門和多路閥裝置的性能，建立適應(yīng)特殊運行條件的系統(tǒng)，開發(fā)廉價的比例閥，主要元件不變。2.比例系統(tǒng)。不確定因素主要體現(xiàn)為外部干擾、溫濕度的改變，因此，比例控制的進展表現(xiàn)依賴了幾種新的驅(qū)動技術(shù)。3.PID控制。比例電液系統(tǒng)的參數(shù)會隨著時間的推移而變化，因此，參數(shù)的非線性改變。對于某些特定對象，效果不如意。4.自適應(yīng)驅(qū)動。由于自適應(yīng)管理算法，它將建立隨時間變化的系統(tǒng)變量的參數(shù)，相應(yīng)改變控制狀態(tài)，目前，最成熟的應(yīng)用有兩種：第自標準化管理（STC）；機構(gòu)中采用的自適應(yīng)管理一般是MRAC,它也帶來了一些問題，例如，對于STC，對于具有全局組織快速響應(yīng)的系統(tǒng)，由于大量的識別計算，難以實現(xiàn)響應(yīng)快速的系統(tǒng)，實時控制不容易實現(xiàn)；對于MRAC，但最大的問題是根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論或Popov超穩(wěn)定性理論建立自適應(yīng)律。結(jié)合不同控制模式的優(yōu)勢，是近年發(fā)展大勢。5.變結(jié)構(gòu)控制是改變了控制器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)按規(guī)定的運行規(guī)律控制，滑模控制模式在電液系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，VSC系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)動態(tài)性能和恒定性能之間的矛盾。它的滑模式（SM）對系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部干擾完全不影響，主要缺點是頻繁變化會產(chǎn)生嚴重的抖動，另外，也不適用于采樣量大，周期很長的系統(tǒng)，近來，結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制。6.數(shù)理邏輯驅(qū)動（FLC）.比例電液系統(tǒng)屬于當前的合理方案。模糊控制器進一步直接控制對象；通常用來確認控制器的反饋。7.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)管理（NNC）。NNC通過模仿人類的認知,從而模仿腦細胞的基本原理來工作。系統(tǒng)的硬件模擬了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),而軟件則模擬了神經(jīng)細胞的工作原理。每個神經(jīng)單元通過"負載的乘法,加法"接收信號。信號由"閾值"來判斷,其中方形公制"負載"和"閾值"面積單位是輸入和輸出,因此實際輸出值的偏差要盡量少。第三章控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)3.1控制系統(tǒng)功能概述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1：圖3-1系統(tǒng)硬件圖3.1.1硬件電路設(shè)計思路在認識和了解汽車起重機上的電液比例控制系統(tǒng)后，整體而有層次的對其功能進行分析之后，由手柄輸入的電壓值和電液比例閥組的反饋電流值可通過設(shè)計構(gòu)造成適合電氣控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。二者的差值再通過一系列的處理：先經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，將這個數(shù)字量再進行特定的PID算法運算，可得到上面輸出的方波的占空比。然后通過控制器C8051F040，可輸出PWM波，最后將其輸入到驅(qū)動芯片，則可控制電液比例閥的移動，從而實現(xiàn)本次開發(fā)設(shè)計的主要功能。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3.2.1控制器的選擇選擇芯片是的重要事情,如果芯片選擇正確,它不僅會滿足系統(tǒng)要求。而且還能降低系統(tǒng)的價格,還會簡化系統(tǒng)的實現(xiàn)電路?？蓮囊韵聨讉€角度斟酌：(1)處理器的速度。(2)信息和程序存儲器的大小。(3)I/O資源的數(shù)量。(4)芯片上的外圍資源的數(shù)量。(5)包裝、價格、可用性等。3.2.2C8051F040概述C8051F040由Silabs公司開發(fā)。C8051F04X系列，每個微控制器被放置在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，從-45到+85攝氏度，電壓為2.7伏到3.6伏，它運行快。CIP51并采用了高質(zhì)量組織結(jié)構(gòu)。比標準8051的速度快十二倍，最高速度達到100mips。C8051F0400被認為是一個非常完整的片上系統(tǒng)。采用100引腳封裝。它有很多的中斷類型。圖3-3C8051F040結(jié)構(gòu)框圖3.2.3C8051F040的組成及特性1）組成CIP-51控制器核心每秒2500萬條指令的高速流水線。4352(4096+256)計算機內(nèi)存單元RAM內(nèi)存。5x16位通用定時器等。2）特性1.增加干擾源。但是C8051F板的SiliconLabs微控制器有一個擴展的中斷操作，具有較高的性能效率。2.它包含一套擴展的模擬資源。大多數(shù)C8051F微控制器集成了一個或一對ADC，采樣頻率高達500ksps。在一些型號中，溫度傳感器允許快速、正確地監(jiān)測周圍溫度。3.有較多外設(shè)接口。它是一個雙UART和多達五個定時器和六個PCA模塊。該電路將SMBus、SPI、USB、CAN、sculpturer和RTC集成在不同的接口中。當不使用時，接口被單獨禁用，減少了系統(tǒng)的能耗。因此，微控制器采用了許多低能耗技術(shù)，如3V驅(qū)動源，甚至可以關(guān)閉。因此，系統(tǒng)的典型能耗顯著降低。4.提高了信號處理性能，一些模型具有周期性有效的循環(huán)非數(shù)字信號處理，提高了信息傳輸能力。5.具有獨立的芯片時鐘源。設(shè)計師們決定很容易地切換內(nèi)部和外部的時鐘源。而執(zhí)行轉(zhuǎn)換將有助于降低系統(tǒng)的整體能耗。6.另一方面提供多種運行模式，降低了系統(tǒng)的能耗，I/O達到了從固定到交叉切換。端口I/O，都需要很多引腳，配置不夠用。I/O端口可靈活使用。7.復位有很多手段。提供啟動時復位、啟動時復位、啟動時復位，重置WDT和重置引腳配置、靈活性和零功耗提供了良好的優(yōu)勢。8.電源管理策略。"等待"和"停機"兩種,可以在軟件進行編程。在等待模式下,外圍設(shè)備和時鐘在運行,但CPU沒有運行。由于時鐘在待機模式下繼續(xù)運行,設(shè)備的功耗取決于系統(tǒng)時鐘頻率和進入待機模式前運行的外設(shè)數(shù)目。CIP-51有等待和關(guān)閉兩種模式,但與任何8051設(shè)計一樣,最好禁用不需要的外設(shè),以盡量減少整體功耗。所有的模擬外設(shè)都可以被禁用,在不使用時置于臨時電源模式,而數(shù)字外設(shè),如串行定時器總線,在不使用時消耗的功率非常小。關(guān)閉發(fā)電機消耗的電力更少,但需要復位以重新啟動微控制器。內(nèi)部振蕩器可以通過寄存器(內(nèi)部發(fā)生器管理寄存器、外部發(fā)生器管理寄存器、外部發(fā)生器管理寄存器)啟用或禁用。C8051F板的SiliconLabs微控制器作為一種優(yōu)秀的SOC芯片代表，滿足了使用時復雜用途要求，在嵌入式的許多應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用：在移動設(shè)備領(lǐng)域，其低能耗和高效的接口是各種信號采集、存儲和傳輸?shù)睦硐脒x擇。這些優(yōu)點是由微控制器C8051在幾年里十分熱門。成了這個領(lǐng)域的佼佼者。3.3選型依據(jù)首先，C8051F040其上手快。又因為使CIP-51進行改進，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復雜度，減少了系統(tǒng)成本，更大大降低了功耗，可靠性高。CAN通訊所占CPU的帶寬最小。 3.4數(shù)字量輸入輸出模塊外圍設(shè)備的運行速度低于硬件，外圍設(shè)備的運行速度也不盡相同，所以通過接口電路對傳輸方式進行緩沖和聯(lián)絡(luò)的作用是必要的。接口電子裝置執(zhí)行相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換、速度匹配和信息緩沖功能。本系統(tǒng)使用芯片8255A。兩行內(nèi)聯(lián)，40個引腳。并行I/OLSI芯片是多功能I/O設(shè)備，通常用于硬件總線和外圍設(shè)備之間的接口。一旦連接到外圍設(shè)備，就不需要進一步的外部電子設(shè)備。8051MCU提供8255A并行芯片地址信號，考察8255A的地址，特別是一個8255知道A、B、C、管理口四個端口的地址，最低的位是A口的地址，最高的位是控制口的地址。8255A有2個A1A2和CS引腳來選擇所有引腳的物理地址。其在本系統(tǒng)中的電路圖如圖:圖3-48255A接口電路圖3.5中斷管理模塊C8051F040唯二可以訪問的外部中斷是INT0和INT1，所以8259A補充的外部中斷。8259A是該器件的中斷請求管理管理器，采用28引腳雙內(nèi)聯(lián)封裝。作為一個可以被編程控制的中斷控制器，8259A有許多工作模式。默認情況下，IRQ0的優(yōu)先級最高，IRQ7的優(yōu)先級最低。每個8259A芯片可以管理多達八個中斷源。通過級聯(lián)多個芯片，8259A可以組成一個系統(tǒng)，管理多達六十四個中斷向量。在具有多個中斷的電源系統(tǒng)中,當控制器接收到來自外部的中斷請求時,由StormTroops選擇該最高優(yōu)先級的中斷請求,并發(fā)送到中央電子裝置e1INTR側(cè)。中央處理裝置響應(yīng)中斷進入中斷軟件處理后,中斷控制器將繼續(xù)負責管理外部的中斷請求。就會過渡到運行狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它能夠響應(yīng)來自外部設(shè)備的中斷請求，而且系統(tǒng)也會在任何時候使用運行命令字改變其中斷處理。C8051F040有兩個增加的全雙工UART,增強型SPI總線和SMBus/IIC內(nèi)。每條串行總線在硬件中完全實現(xiàn),可向CIP-51發(fā)出中斷請求。中斷信號連接IR0-IR7，同時將芯片的信息線和控制器數(shù)據(jù)線連接在一起，以完成兩者之間的通信。對于在多個外設(shè)中完成8259A的選擇的方式是通過8259A的CS、A0兩條數(shù)據(jù)線。其在本系統(tǒng)中的電路圖如圖:圖3-58259A接口電路圖3.6抗干擾措施。3.6.1干擾分析在電路中,噪聲會干擾有用信號,阻礙傳輸信息。由于噪聲在一定條件下會干擾設(shè)備的運作,所以也被認為是磁力干擾。引起磁力干擾的基本成分：元件、設(shè)備或產(chǎn)生干擾的信號-噪聲源。本裝置受到干擾-受干擾的儀器設(shè)備。因此,為保證系統(tǒng)不受磁力干擾,應(yīng)采取三項措施:1.抑制噪聲源;2.減少噪聲耦合和輻射,停止磁力干擾的傳播途徑或改進磁力干擾的傳播方式。3.加強受干擾儀器的抗干擾性能。3.6.2措施分析系統(tǒng)設(shè)計原則,我們往往主要思考以下幾點用來改進系統(tǒng)的抗干擾。我們總是需要考慮到價值尺寸比,補償裝置,易于維護。大規(guī)模的計算機電路應(yīng)采用合適硬件,應(yīng)選擇新的傳感器和執(zhí)行器,并提高質(zhì)量。充分利用芯片的智能,用軟件取代硬件。1.電源電路:采用開關(guān)電源,應(yīng)采用粗線作為電源聯(lián)結(jié)線,并將交流電源電纜盡可能與替代線分開削減耦合干擾。當濾波器的輸出線上的干擾減少后,保持在電源濾波器外殼一定的距離內(nèi)。2電源濾波。對模擬和數(shù)字電路的電源進行濾波。每個芯片電源增加了電解電容,以抵消電解電容在高頻時過濾干擾信號的缺陷。4.電磁屏蔽,通信線路采用芯線屏蔽電纜,單向接地,減少外界干擾信號對每個模塊的影響。5.電氣隔離。系統(tǒng)中各模塊之間的通信線路是光學隔離的,以減少各模塊之間的相互影響。第四章電液比例閥驅(qū)動電路的設(shè)計電液比例控制系統(tǒng)利用負反饋調(diào)節(jié)強制穩(wěn)定系統(tǒng)?？刂撇呗远纪ㄟ^PWM信號的控制速率不斷變化來改變機構(gòu)中的平均量值。4.1電液比例閥簡介一些自動化程度高的設(shè)備通常需要對壓力和速度參數(shù)進行持續(xù)管理和控制。電液比例閥隨之發(fā)明。它由放大級數(shù),分出了單級管理閥、二級管理閥和三級管理閥。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，給出了閥體結(jié)構(gòu)、錐閥結(jié)構(gòu)和插裝閥結(jié)構(gòu)。因此，采用智能數(shù)字比例控制放大器的同時，使比例電磁鐵具有良好的特性和高可靠性。4.2方案實現(xiàn)本系統(tǒng)中，PWM驅(qū)動芯片選擇LMD18200，它是功率集成芯片。H橋由四個DMOS晶體管組成,它們的控制邏輯是電連接的。是為運動控制特定設(shè)計的。它完全滿足本系統(tǒng)的各項要求。4.2.1LMD18200概述LMD18200具備雙極和單極兩種控制模式。DIR端子直接接地,實施LMD18200的單極控制,C8051F040的P0.2作為PWM輸出,通過光學隔離輸出到LMD18200的PWM輸入。LMD18200外形結(jié)構(gòu)如圖：圖4-1LMD18200外形結(jié)構(gòu)圖4.2.2LMD18200引腳說明LMD18200功能如圖。圖4-2LMD18200引腳功能表4.2.3C8051F040與LMD18200的連接驅(qū)動電路如圖4-3：圖4-3電液比例閥驅(qū)動電路第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1控制算法可對電液比例系統(tǒng)的壓力和流量進行閉環(huán)控制?？刂破鞯目刂扑惴ê芏鄷r候是由軟件算法完成的,因此,壓力或流量傳感器組件很多時候被選為各種管理集的反饋元件。大多數(shù)機械裝置要求似乎并不是非常高,可使用開環(huán)管理,將完全滿足控制精度,信號流流通減少,系統(tǒng)是更加可靠的。在本系統(tǒng)的控制算法中，使用了PID控制，可以保證本系統(tǒng)正常的運行。許多先進的處理算法正在被引入,但PID控制及其改進型仍然是最佳的方法。PID控制是廣泛使用于現(xiàn)代工業(yè)的控制技術(shù),當被控量的參數(shù)不能完全清楚,或者不能確定正確的數(shù)學模型時,應(yīng)該采用經(jīng)驗和現(xiàn)場嘗試的方式當場解決,此時PID這是最方便的一種。應(yīng)設(shè)計PWM輸出,使占空比根據(jù)使用控制算法計算出的值進行調(diào)整。5.1.1PID介紹1）它已成為當前最為普遍采用的算法，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖。 圖5-1PID控制器結(jié)構(gòu)原理圖1.比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)是根據(jù)偏差的想法進行調(diào)整,PID控制對象向誤差影響作用相反的方向改變。其實際具有可調(diào)整放大倍數(shù)的電子設(shè)備,以減少錯誤的變化?？偟膩碚f，它按比例地改變偏差,可將靈敏度改善,但存在靜態(tài)誤差,2.積分環(huán)節(jié)效應(yīng)由時間常數(shù)決定；Ti越大，沖擊力越弱。缺點是，可能有滯后現(xiàn)象，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。這可能容易導致振蕩和過沖。3.微分環(huán)節(jié)可以識別誤差方向,抑制過沖。美中不足是穩(wěn)定性差，可減少適應(yīng)時間。但是,如果時間常數(shù)過大,干擾就會被引入,因此系統(tǒng)受的影響也變大。如果時間常數(shù)太小,調(diào)節(jié)的時間就會很長,影響不明顯。從時間的目的來看,比例運算側(cè)重于現(xiàn)在的誤差,積分運算側(cè)重于歷史誤差,因此微分運算反映了指令的變化趨勢。三者混合是"過去、禮物和未來"的結(jié)合。增加比例常數(shù)P可以加速系統(tǒng)響應(yīng)。調(diào)節(jié)時盡量平衡這三個參數(shù)達到最佳效果。3）PID控制的不足1.在實際的應(yīng)用中,對象通常是非線性和時變的,因此很難確定正確數(shù)學模型,因此,PID控制器不能獲得預期效果。2.在實際生產(chǎn)現(xiàn)場內(nèi),由于參數(shù)設(shè)置的難度,典型PID控制器的參數(shù)通常設(shè)置得很差,效果也不盡合理,因此直到運行狀態(tài)下的能力很差。5.1.2PID程序設(shè)計編程語言的選擇：選擇C語言。以下是原因：1.程序結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、整齊,用途廣泛。2C語言的程序非常容易理解,而且編譯速度很快。3豐富的運算符。4適合大型程序的模塊化設(shè)計。5語法沒有太多限制,編程時有很大的自由度。7產(chǎn)生標代碼質(zhì)量高而且快速的的程序執(zhí)行。8可移植性高。它的語句可以各種計算機和操作系統(tǒng)上使用,基本上不需要任何修改。流程如下圖5-2:圖5-2位置型PID運算程序流程圖5.2主控制器程序設(shè)計一旦開始工作，它就會進行初始化操作。一旦完成，手柄的"狀態(tài)"被信號采集記錄下來，輸入到C8051F040，然后通過負反饋調(diào)節(jié)，模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過算法和PCA，可達到目的。如圖5-3所示:圖5-3主程序流程圖主程序如下：5.3中斷程序設(shè)計5.4輸入輸出模塊設(shè)計流程圖如圖：圖5-4輸入輸出模塊流程圖其初始化程序如下:系統(tǒng)程序#include<C8051F040.h> // 包含文件#include<String.h>#include<Stdio.h>#include<Intrins.h>typedefunsingedcharuchar; //自定義類型typedefunsignedintuint;typedefunsignedlongulong;typedefstructPID{ //PID 結(jié)構(gòu)體ulongProportion; // 比例常數(shù)ulongIntegral; // 積分常數(shù)ulongDerivative; // 微分常數(shù)ulongLastError; ulongPrevError; ulongSumError; }PID#defineRate10.0391 //Rate1=5/128#defineRate251.2 //Rate2=256/5ucharkk; //定義全局變量ucharrealvol;uchart2_Count;bitisnewdata;ucharSampleTimes;xdataucharaa[6]={0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36}xdataucharres[6];xdatauchark;xdatauchart;enum{aalen=6}; //定義發(fā)送數(shù)據(jù)長度sfr16RACP2=0xca; //16位特殊功能寄存器定義sfr16RACP3=0xca;sfr16TMR2=0xcc;sfr16TMR3=0xcc;sfr16PCA0CP0=0xfb;sibtP1_0=p1^0;//P1各位定義sibtP1_1=p1^1;sibtP1_2=p1^2;sibtP1_3=p1^3;sibtP1_4=p1^4;sibtP1_5=p1^5;sibtP1_6=p1^6;sibtP1_7=p1^7;voidIni8259(); //程序聲明voidIni8255();voidadcmux(uchartype,ucharsource);voidanalogPort_ini(ucharport)voidadc2_ini();voidconfig();voiduart0_ini();voidt1_ini();voidt1_baud(uchart1h);voidt2_ini();voidt2_baud(uintt2reload);voidt3_ini();voidt3_baud(uintt3reload);voidPca0ini();voidPwm0_Set(ucharlow);voidPcaini();voidPIDInit(PID*pp);voidPIDCalc(PID*pp,ulongAerror);voidIni8259(void){ //8259初始化xdataucharadd1_8259_at_0xFF00;//絕對地址xdataucharadd2_8259_at_0xFF01;add1_8259=0x1B; //電平觸發(fā)，單片 8259add2_8259=0x40; //中斷源的中斷向量碼add2_8259=0x00; //不接從片8259add2_8259=0x03; //一般嵌套方式，非緩沖方式，自動 EOIadd2_8259=0x00; //不屏蔽IRadd1_8259=0xC0;add1_8259=0x08;}voidIni8255(void){ //8255初始化xdataucharadd8255_at_0xFF03;//絕對地址add8255=0x92; //A,B 口輸入，C口輸出}voiduart0_ini(){SFRPAGE=0x00;SADEN0=0x00; //SADEN0為UART0從機地址控制寄存器SADDR0=0x00; //SADDR0為UART0從機地址設(shè)置寄存器SSTA0=0x00; //TX和RX時鐘源均為T1SCON0=0x50; //工作在模式1，為8位可變波特率通信SCON0&=0xFC; //將TI0和RI0清0IE|=0x10;t1_ini();}voidt1_ini(){SFRPAGE=0x00;CKCON=0x10; //T1采用系統(tǒng)時鐘，不分頻TMOD=0x20; //T1為8位自動重載模式TCON=0x40; //TR1置1，啟動定時器}voidt1_baud(ucharval){ //T1溢出率設(shè)置SFRPAGE=0x00;TH1=~val+1;TL1=TH1;}voidadc2_mux(uchartype,ucharsource){SFRPAGE=0x02;AMX2CF=type; //type配置測量方式，差動或者單端AMX2SL=source; //通道選擇}voidanalogPort_ini(ucharport){ //P1為模擬輸入SFRPAGE=0x0F;P1MDIN&=~port; //將相應(yīng)的引腳配置為模擬輸入}voidadc2_ini(){SFRPAGE=0x02;ADC2CF=0x09; //ADC2時鐘為系統(tǒng)時鐘 2分頻，PGA增益為1ADC2CN=0x82; //ADC2位連續(xù)跟蹤模式，由 T3溢出啟動ADC2轉(zhuǎn)換SFRPAGE=0x00;REF0CN=0x0b; //采用AV+作為參考電壓analogPort_ini(0x03); //將P1.0，P1.1配置到AMUX0-1上adc2_mux(0x01,0x00); //0，1通道配置為差動輸入模式EIE2|=0x10; //ADC2中斷開啟t3_ini();t3_baud(2000); //設(shè)置2000個T3時鐘作為采樣周期SFRPAGE=0x01;TR3=1; //啟動T3計數(shù)}voidPca0ini(){SFRPAGE=0x00;PCA0CPM0=0x42;}voidPwm0_Set(ucharlow){ //占空比設(shè)置SFRPAGE=0x00;PCA0CPH0=low;}voidPcaini(void){SFRPAGE=0x00;PCA0MD=0x08; //PCA中斷采用系統(tǒng)時鐘，且 PCA溢出中斷禁止PCA0CN=0x40; //啟動PCA計數(shù)器}voidt2_ini(){SFRPAGE=0x00;TMR2CF=0x00; //T2時鐘源為系統(tǒng)時鐘 12分頻TMR2CN=0x04; //啟動T2，T2為自動重轉(zhuǎn)載}voidt2_baud(uintt2reload){ //t2重裝載SFRPAGE=0x00;RCAP2=~t2reload+1;TMR2=RCAP2;}voidt3_ini(){SFRPAGE=0x01;TMR3CF=0x80; //T3時鐘為系統(tǒng)時鐘TMR3CN=0x04; //啟動T3，T3為自動重裝載模式}voidt3_baud(uintt3reload){ //T3重裝載SFRPAGE=0x01;RCAP3=~t3reload+1;TMR3=RCAP3;}Voidconfig(){ //C8051F040初始化//看門狗禁止WDTCN=0x07;WDTCN=0xDE;WDTCN=0xAD;SFRPAGE=0x0F;XBR0=0x0C; //CEX0配置到端口，UART配置到端口XBR1=0x14; //INT0,INT1配置到端口XBR2=0x42; //交叉開關(guān)使能，并使得 P0.5,P0.6,P0.7自動跳過XBR3=0x00;SFRPAGE=0x00;EMI0CF=0x07; //外部內(nèi)存在P0-P3口，地址數(shù)據(jù)線復用SFRPAGE=0x0F;P0MDOUT=0x00; //端口配置，P0-P3為開漏輸出P1MDOUT=0x00;P2MDOUT=0x00;P3MDOUT=0x00;P1MDIN=0xFC; //配置P1.0，P1.1為模擬輸入，其他為數(shù)字輸入P2MIDIN=0xFF;P3M