基于单片机的车载自动调平控制系统的设计

基于单片机的车载自动调平控制系统的设计内容摘要：

芯片大多配有独立的乘法器和加法器，使得在同一时钟周期内可以完成乘、累加两个运算：低功耗，一般为 0． 539。 4W，而采用低功耗技术的 DSP芯片只有 0． IW，可用电池供电，节能；驱动电流小，驱动电磁阀需要外加外围电路。 工控机具有超过 1000MHz的工作频率，非常完善的开发手段，非常丰富的软件支持，在这些方面， DPS是无法与之相比的。 但是，工控机并非针对实时信号处理而设计，其数据输入／输出能力相对于其处理能力要低得多，其响应速度或者 响应延迟不能满足实时处理要求。 在相同的工作频率下，工控机进行乘积、 F， I’ F、编解码等常用数字信号处理的速度要比 DPS低得多。 工控机本身结构复杂，功耗多，价格较高。 单片机有较高的运算速度，开发成本低，结构简单，易于开发；另外，单片机的应用已经非常的广泛，具有许多可以借鉴的经验，为控制器的设计带来方便。 通过以上比较和分析，选择价格较低，信号处理能满足要求的单片机作为主控制器。 车载自动调平 控制系统的传感器选择 传感器的选择原则 传感器是测试系统的一个环节，担负着信号转换任务，如将位移、 力、应变、加速度和振动等被测量转换成与之对应的、容易处理和传输的电量。 随着现代测量和自动化技术的发展，传感器在各方面领域的地位越来越重要，如工业、农业、环境保护、医学等，它的使用已经渗入到我们日常的生活中。 特别是在微控制器技术高速发展的今天，传感器的重要性越来越突出。 如果把微控制器比作人的大脑的话，那么传感器就相当于人的五官。 只有微控制器而没有适当的传感器，微控制器的作用是发挥不出来的。 而相对于此系统而言传感器的作用与重要性又显得特别重要，传感器选择的成功与否直接决 定了此控制系统设计的命运，因此，我们在设计 这个系统的初期首先就必须确定目前市场上有没有符合我们要求的传感器。 同时必须弄明白其工作原理，这样才能更好的使用它，更好的明白整个 自动调平 控制系统。 超声波传感器的测距原理及精度影响因素 超声波是一种特殊的声波，它具有声波传输的基本物理特性，如反射、折射、散射等。 超声波测距传感器就是利用超声波的方向性、反射性等特性进行工作的，它的非接触性能在工程机械 自动调平 系统中有着明显的优越性。 近年来随着超声波技术和电子技术的发展，超声波测距传感器在 车载 、沥青混凝土摊铺机等非接触式找平系统南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 中得到了广泛的应用。 工作原理：非接触找平系统中的超声波测距传感器是按照脉冲回波方式工作的，其工作原理如图所示。 超声波测距原理 发送探头发出的超声脉冲波通过传播介质传到目标表面，有一部分声波经发射后再通过传播介质返回到接收探头。 在传播过程中，测出超声脉冲 从发射到接收经历的时间 (或称声时 )，如果确定传播介质的声速，就能计算出从探头到目标之间的距离，测距公式如下： S=Ct／ 2 （ 1） 式中： S—— 探头到目标的距离， m； C—— 声波在介质中的传播速度， m／ s； t一声时， s。 测试精度影响因素：在式 (3． 1)中，声波在介质中的传播速度 C受多种因素影响，是一个变量；声时 t由计时电路测量，并随被测距离的改变而变化。 式 (1)两边微分得到 ds=(cdt+tdc)／ 2 （ 2） 式 (2)说明，超声波测距传感器的测试精度是由声时和声速两个参数的精度决定。 i)声时的影响 有两个重要因素影响声时的精度：计时电路的计时频率和超声波频率。 ①计时电路的计时频率影响 取 C为常数，则式 (2)为： ds=Cdt／ 2 （ 3) 假设计时频率为 f， 则式 (3)为： ds=C／ 2f (4) 式 (4)表明：计时电路的计时频率越大，传感器的测试精度越高。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 15 ②超声波频率影响 超声波测距传感器的换能器当收到机械回波信号后立即输出电信号，电信号 (接收信号 )的幅值随时间的变化规律简图如图 3． 3所示。 如果取 A点所在的水平电信号为触发计时电路的阀值，那么，计时电路的触发工作时间比接收信号的开始时间滞后约2个周期，在单程测试距离内将产生 1个声波波长的误差，即 △ S=CT (5) 式中： T一超声波的周 期， s。 接收信号 所以，超声波频率越大，周期就越小，传感器的测试精度越高。 但在选用超声波换能器时，还应考虑到超声波换能器的频率越大，传播过程中的衰减系数越大，将影响它的有效测试距离。 ‘ ii)声速的影响 式 (1)表明：脉冲回波法超声 波测距传感器在测试距离时，必须获得超声波在介质中的传播速度，才能从声时中求出探头到目标间的距离。 超声波的传播速度是一个变量，受多种因素影响，即使在传播介质确定的情况下，介质温度、声压、风力等的改变，也将影响超声波的传播速度。 超声波传感器的选择 综合上面的叙述，我们了解了传感器的市场情况，决定选用美国霍尼韦尔Honeywell公司生产的 943系列超声波测距传感器，如图所示。 该传感器内置温度补偿功能，而且有 3种输出方式选择，开关输出： PNP和 NPN，模拟量输出 010V和 420mA。 考虑到长距离 传播信号的失真问题，我们决定模拟量电流输出 4— 20mA，选用型号为943． F4Y2D一 1D0180E超声波传感器。 以下肘此超声波传感器的主要参数进行说明 ： 传感器性能参数 南昌航空大学科技学院学士学位论文 16 车载 自动 调 平控制系统的液压系统 自动调平液压系统 的工作原理 自动调平液压系统的原理图 目前国内外生产的 车载 均采用机电液一体化的自动 调 平控制系统，其中液压系统是多种多样的，但其共同点都是向油缸供定量油液，以保证油缸调节的及时性及稳定性。 通常，典型的电液控制系统由油泵、安全阀、流量阀、电磁换向 阀、液控单向阀、油缸及油管、接头等组成 (参见图 )。 系统采用定量泵供油，油泵输出的压力油经过两个流量阀排出定量的油液，在电磁换向阀的控制下经液控单向阀进入左右两个油缸。 再经油缸活塞杆的伸缩来控制牵引架绕前铰点上下摆动，从而达到对平地铲刀高度的精确把握。 在工作过程中，首先通过控制器设定整平基准，当平整路面发生上下起伏的变化时，南昌航空大学科技学院学士学位论文 17 牵引架会发生上下移动，所以它也会带着铲刀一起升降，同时安装在牵引架上的超声波传感器也共同升降。 这样，超声波传感器就能检测到当前的与路基的实际距离，通过与基准值进行比较，可以得出偏差信号。 这个偏差信号被控制器采样后，通过一定的分析和处理，发出控制信号，通过功率驱动电路给电磁阀供电。 电磁阀接到信号后，根据信号的不同做出不同的响应，使得牵引点的工作油缸上腔或下腔进油，让牵引点回到原来的高度 (即刚开始设定的基准值 )，于是，铲刀也就相应的回到的原来的设定的位置。 至此，偏差信号消失，控制器切断电磁阀的控制信号，油缸停止运动。 这样就保证了铲刀始终维持在初始设定的位置，达到了 自动调平 的目的。 电磁阀的控制模式 作为系统的主要控制对象，电磁换向阀的控制方式是决定整个控制系统性能的主要因素。 对于电 磁换向阀的控制，目前主要有两种控制方式，一是开关式控制；二是比例脉冲式控制。 基于系统的控制精度和稳定性考虑，本系统采用了脉宽调制 (PWM)比例脉冲式来对电磁换向阀进行控制。 PWM是通过改变导通时间 t与工作周期 T的比值，即调节占空比，使一个周期时间内输出的平均值与相应时刻采样得到的信号成正比。 如图所示不同的占空比情况。 占空比图 PWM脉冲信号经功率驱动电路放大，在电磁换向阀的电磁铁线圈两端产生与之同向的脉冲电压，由于电磁铁线圈电感的滤波作用而变为同频率小幅度充电的近似直流电流信号。 当 fPWM远高于电磁铁线圈的截止频率时，阀对 PWM信号的响应不完全，其响应特性近似于对模拟信号的响应，但叠加上一个脉动幅值很小的颤振信号 ， fPWM越高，脉动幅值越小。 PWM信号的调制频率的选择应考虑阀本身的响应特性，例如固有频率和过渡时间。 车载自动调平 系统的电磁换 向阀的截止响应频率为 4Hz，所以在设置 PWM信号输出时，其频率必须小于截止频率。 本系统将输出的 PWM控制信号频率设定为 3Hz，通过改变 PWM信号的占空比来控制电磁阀的通断时间，从而达到对铲刀的精确控制。 系统对工作油缸的行程控制采用分步进行的方式，通过超声波传感器检测到的高度信南昌航空大学科技学院学士学位论文 18 号，与系统设定的基准高度相比较，如果高度误差超出了系统设定的灵敏度范围，那么对油缸的运动采取恒速控制 (即使电磁阀始终处于常开状态 )；若高度误差在灵敏度范围之内 (即进入了所谓的脉冲区 )，那么控制器将对电磁阀相应一端的电磁铁供以脉冲信号， 通过控制电磁阀的通断时间使得油缸的运动速度放慢，以较小的速度逼近理想状态。 为了使得系统的控制精度进一步提高，在脉冲区内对脉冲的宽度采用比例调节的方式，根据逼近理想高度的不同程度来调整 PWM的占空比，这样即能将调平精度控制在一个很小的范围之内，又可以最大限度的避免系统超调的发生。 控制系统的数学模型及控制算法的确定 控制系统的数学模型 工作装置的数学模型 设定 车载 铲刀所受的阻力保持不变，则铲刀的运动将沿着牵引点的作用点连线方向，可建立如图所示的运动关系。 现在分析铲刀的运动规律。 车载 铲刀的运动关系 设图中 T是牵引点， P为铲刀与路面的接触点， T、 P分别是铲刀经时间 dt后的相应位置。 其中坐标值分别表示为 T(x1， y1。 )， P(x1， y1)及 T(x2+dx2， y2+dy2)， P(x2+dx2，y2+dy2， )，由此可得到线性方程为 ： （ dy2/dx2） =（ y2y1） /（ x2x1） （ 6） 设 L=x1x2， 其为调平大臂有效长度的水平投影， dx2/dt=v为整平速度，式又可写成 （ dy2/dx2） =（ y1y2） /L或（ dy2/dt） =（ dx2/dt） （（ y1y2） /L） （ 7) 若设 v恒定，对式 (7)进行拉氏变换可得 Y2（ S） /Y1（ S） =1/（ 1+tS） (8) 式 (8)为铲刀的传递函数，其为一阶惯性环节，式中 z=％为铲刀的时间常数。 执行机构环节的数学 模型 执行环节主要由开关型电磁换向阀和双作用液压油缸组成，下面分别以二者的其中之一为对象展开讨论，建立它们的数学模型。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 19 开关型电磁换向阀可简化为一阶惯性环节，其传递函数可表示为： （ 9） 式中： 一开关电磁换向阀的流量增益， 一开关电磁换向阀的时间常数， s。 根据液压伺服系统的理论，可得到流量增益 的计算公式： （ 10） 式中： Cd—— 锐边节流阀， Cd在 ～ ； W— 阀的面积梯度， p— 油的密度， kg/m3 P— 系统中油缸通过开关电磁换向阀时的压降， Mpa。 双作用液压油缸的传递函数可表示为： （ 11） 式中： A— 双作用液压油缸的有效面积，即油缸大腔活塞面积与油缸小腔活塞面 积之差， W 一阀控液压油缸的液压固有频率， ξ一阀控液压油缸的液压阻尼比， ع 在 0． 10~0． 20之间； d1一液压油缸直径， m； d2一活塞杆直径， m； M一单个油缸所承载的油缸运动部件质量和 平地铲刀折算质量之和， kg； 南昌航空大学科技学院学士学位论文 20 β一等效容积的弹性模数， Mpa； V— 括管路在内的等效液压油缸容积， V=L*A， m3； L_一活塞杆有效行程， m。 由 G(s)和 Gy(s)可求得执行机构环节的总传递函数 G(s)为： （ 11） 反馈环节的数学模型 单反馈环节可表示为： k=C/L （ 13) 式中： C为传感器位置到牵引点之间的距离；取 C=2／ 3L，则 k=2／ 3。 控制器的数学模型 控制器由信号调理电路、单片机、光电隔离电路及功率放大器等组成，用以检测高度偏差，并据此以脉冲或连续调节信号的形式驱动电磁换向阀，使油缸动作。 整个环节为非线性环节。 当高度偏差在死区范围内，控制器不做任何调节，液压油缸不运动；当系统工作在脉冲调节区时，输出脉冲的脉宽占空比与偏差信号成正比，属于脉宽调制 (PWM)；当系统工作在恒速区时，找平油缸进行恒速调节。 因此本环节可简化为一具有死区的饱和非线性环节，其数学模型可表示为： (14) 式中 U一控制器的输出， A。