【正文】 圖 42 脈沖整形、判向電路 D/A 轉(zhuǎn)換器及接口電路 1） DAC0832 功能介紹 DAC0832 是八位分辨率的轉(zhuǎn)換集成芯片，與處理器完全兼容。的兩路脈沖 A、 B 隨著碼盤轉(zhuǎn)向的變化 , 相互間超前滯后關(guān)系會(huì)發(fā)生變化 , 這樣就可以利用某一路脈沖去選通另一路脈沖的前后沿 , 從而分出正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩路計(jì)數(shù)脈沖 。即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)行命令 , 被控對(duì)象在控制器控制下運(yùn)行至某一預(yù)定位置時(shí) , 可以通過(guò)及時(shí)控制74LS193 的異步置數(shù)控制端 PL 為低電平 , 通過(guò)數(shù)據(jù)總線把欲定義的數(shù)據(jù)寫入 74LS193, 實(shí)現(xiàn)歸零操作。其核心電路主要是歸零電路和 脈沖整形、判向電路，尤其是脈沖整形、判向電路。則有 5/125= 伏 /度，即角度傳感器沒(méi)變化一度，其輸出電壓變化 伏。為實(shí)際安裝和測(cè)試方便，兩角度傳感器選用統(tǒng)一的標(biāo)定。 （ 1）角度傳感器的標(biāo)定 液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂和斗桿的工作角度都有一定范圍的，根據(jù)設(shè)計(jì)的理論推薦制和樣機(jī)的實(shí)際工裝尺寸，選擇動(dòng)臂的角度范圍為 090176。碼盤基片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光敏元件把通過(guò)透光狹縫和光柵板射來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)（近似于正弦信號(hào)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)整形、放大等電路的變換后變成脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)量脈沖的數(shù)目，即可測(cè)出工作軸的轉(zhuǎn)角，并通過(guò)數(shù)顯裝置進(jìn)行顯示。在 碼盤基片的圓周上等分地制成透光狹縫，其數(shù)量從幾百條到上千條不等。 角度傳感器的選擇 本系統(tǒng)裝置選用的角度傳感器是 CHA1024BMG05E 光電編碼器 ， 每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為 1024，輸入、輸出電壓 為 5V?？刂屏鞒虉D及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。由運(yùn)動(dòng)模型可知，每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一組動(dòng)臂和斗桿的角度值（ 1θ ， 2θ ），動(dòng)臂上角度傳感器檢測(cè)到動(dòng)臂轉(zhuǎn)角為 1θ 時(shí)，通過(guò)所設(shè)計(jì)的控制器控制斗桿轉(zhuǎn)角達(dá)到 2θ ，即完成一點(diǎn)的控制。 采用動(dòng)臂先動(dòng) ，斗桿跟隨的方案。需要尋求一種合適的控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，來(lái)改善系統(tǒng)的性能。輸入 sint 的正弦信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖 39 所示，從圖中可以看出，跟蹤過(guò)程存在相當(dāng)大的誤差和相位延遲。 控制器 D/A 10 +1s? 1 5 3 3 27 9 6 .25 .1 8 1 0 3 .3 1 1 0s s s??? ? ? ? 15 圖 37 動(dòng)臂系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng) 圖 38 動(dòng)臂系統(tǒng)無(wú)控制器單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 2 6 4 4 3 20 . 2 9 4 3() 8 . 2 3 6 1 0 4 . 7 4 5 1 0 0 . 1 6 2kGs s s s s??? ? ? ? ? ? 圖 38 為系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，有圖可以得到系統(tǒng)的開環(huán)頻域性能指標(biāo)，幅值裕度 dB? 。 圖 34 斗桿系統(tǒng)開環(huán)伯德圖 14 圖 35 斗桿系統(tǒng)正弦跟蹤 動(dòng)臂系統(tǒng)的整體建模與仿真 圖 36 動(dòng)臂系統(tǒng)方框圖 系統(tǒng) 閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2 6 4 4 3 20 . 2 9 4 3() 8 . 2 3 6 1 0 4 . 7 4 5 1 0 0 . 1 6 2 0 . 2 9 4 3bGs s s s s??? ? ? ? ? ? ? 用 Matlab 對(duì)其進(jìn)行仿真 ，得到閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖 36，同時(shí)得到其動(dòng)態(tài)時(shí)域指標(biāo)，峰值 1py? ， 即無(wú)超調(diào)，上升 時(shí)間 ? ， 調(diào)整時(shí)間 ? 。幅值穿越頻率 58 .9 / se cg rad? ? ，相位裕度 ? ，剪切頻率 / se cc rad? ? 。圖 33 為單位階躍響 應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差曲線，由圖中可得到系統(tǒng)的靜態(tài)時(shí)域指標(biāo)，穩(wěn)態(tài)誤差 ? 。根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，斗桿相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)角范圍為 0~120 ，斗桿液壓缸活塞桿的行程為0~160mm ，故斗桿的傳遞函數(shù)為 ? ?5 23s 6G ??? 動(dòng)臂的傳遞函數(shù)為動(dòng)臂液壓缸的活塞位移與動(dòng)臂相對(duì)于機(jī)身的角度的關(guān)系。 1）活塞平均面積 2 2 2 2 32( ) ( 0 . 0 5 0 . 0 3 ) 1 . 2 6 1 044DdAm?? ???? ? ? ? 2） 容腔總?cè)莘e 3 4 3+=A (= 6 +=mtVH??????液 壓 缸 有 效 面 積 （ 活 塞 行 程 閥 至 缸 間 管 路 折 算 距 離 ） +0 .0 15 ) 10 （ 0. 2 0. 01 5 ） 2. 70 9 10 3） 液壓缸固有頻率 ? ? 2832h 44 7 10 6 104 13 09 10 85 0et AVm????? ? ? ??? ? ?? ? ? 式中 e? 取 8710? 4） 液壓阻尼比 ? ?22684 3 2221 6 21c 5 107 10 850 1 9 10 6 10 32 1032= 10 m m r = 5 10 m m = 10 a se c ehtccemKVADrkDP???????? ? ?? ? ?? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ??? ? ?式 中閥 芯 直 徑 ， ， 則單個(gè)液壓缸的傳遞函數(shù)為：? ?2 5 3 3 222227 9 2 .6 7 9 2 .65 .1 8 1 0 3 .3 1 1 02 0 .2 32 111 3 8 .9 1 3 8 .9qhhhKAGss s sss ssss ?????? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??????? ? ? ????? 因兩個(gè)液壓缸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂，故動(dòng)臂液壓缸的傳遞函數(shù)為 2 ??2Gs ? ? 5 3 3 2222 1 5 8 5 .25 .1 8 1 0 3 .3 1 1 02 1qhhhKAGss s ssss ??????? ? ? ? ????????? 其它環(huán)節(jié)傳遞函數(shù) 試驗(yàn)臺(tái) ，并與之配有配套的放大器11 VT5010，依據(jù)廠家提供的技術(shù)規(guī)格，其頻率特性為 2HZ，這一值在一般情況下為系統(tǒng)在公稱壓力時(shí)閥相應(yīng)的最高頻率，在一般工作情況下，其頻率響應(yīng)一般在 1HZ 左右，這一值同系統(tǒng)的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu) —— 液壓缸的頻響相比，電液比例閥的頻率特性是不可忽略的，視為一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)討論，其傳遞函數(shù)可近似的寫成 ? ? ? ?? ?3 ss 1Q KG I s Ts?? ? 式中 :T? 電液比例閥的時(shí)間常數(shù) K? 電液比例閥增益 由產(chǎn)品性能查得：比例閥的額定流量： 0 10 / minQL? 線圈輸入電流最大值： 2200cI mA? 則電液比例閥的流量增益： 4 40e1 1 0= 2 = 2 = 1 . 0 7 1 06 0 2 . 2QK I ???? 當(dāng)電液比例閥的頻率特性為 1HZ 時(shí)，其時(shí)間常數(shù) : 11= = 0 .1 5 92 f 2 1T ??? ? 則電液比例閥的傳遞函數(shù)為 : ? ? ? ?? ? 43 s 1 .0 7 1 0s=1 0 .1 5 9 + 1Q KG I s Ts s??? ? 比例放大器的輸入信號(hào)為 DAC0832 卡的輸出電壓信號(hào)，范圍為 010V，其輸出信號(hào)為比例閥的電磁鐵的線圈電流，范圍為 ，故此放大器傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?4 s 2 .2s 0 .2 210IG Vs? ? ? 所選的傳感器是光電編碼器，它輸出的脈沖數(shù) ， 每轉(zhuǎn) 1024 個(gè)脈沖。 斗桿液壓缸的傳遞函數(shù) 斗桿液壓缸的缸徑 50D mm? 、活塞桿直徑 20d mm? 、形成 160H mm? ，活塞桿及負(fù)載的質(zhì)量 800m kg? 。在本文中，對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的描述采用傳遞函數(shù)的方式。利用 MATLAB 解上述方程組，得到數(shù)值解如表 22 所。并將鏟斗以30 鎖死，即 4 30? ? 。 i i? i? id il 1 1? 90 186。 1X 是工裝縱向?qū)ΨQ面上的一根水平軸， 2X 在動(dòng)臂兩端鉸點(diǎn)連線上，3X 在斗桿兩端鉸點(diǎn)連線上。最后一個(gè)坐標(biāo)系，即第 4 號(hào)坐標(biāo)系， 可放在鏟斗的任何部分，只要 3Z 與 4Z 垂直即可。 按照 DH 坐標(biāo)系的規(guī)則和定義，設(shè)置微機(jī)操縱系統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的桿件坐標(biāo)系，如圖21 所示。具體包括工作壓力、額定流量、幅值頻寬、相位頻寬、電氣性能、安裝尺寸和價(jià)格等。因此在本設(shè)計(jì)中采用微機(jī)控制比例法系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)工裝軌跡的控制。而比例閥的價(jià)格只有伺服閥的 1/81/10， 但具有 與節(jié)流閥相似的抗污染能力。 （ 3） 電液轉(zhuǎn)換部分 此部分主要由電液比例閥，放大器組成。本設(shè)計(jì)采用 MCS51 系列的 8031 單片機(jī) ，其集成度高、速度快、處理能力 強(qiáng)、可擴(kuò)展性能好、尋址范圍大?？刂蒲b置中的選擇是光電編碼器，將角度值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)，輸出信號(hào)為脈沖 ， 出線方式為電纜側(cè)出。數(shù)字部分采用 51 單片機(jī)，模擬 部分包括除 51 單片機(jī)外的各環(huán)節(jié) 。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由液壓缸、電液比例流量閥、比例放大器、角度傳感器 和 D/A卡等環(huán)節(jié)組成，如圖 13 所示。 電液控制系統(tǒng)的組成 電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)液壓挖掘技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，可將 弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓型號(hào)，控制機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。 圖 12 液壓挖掘機(jī)機(jī) 電液一體化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 反鏟單斗液壓挖掘機(jī)的液壓控制系統(tǒng)是一種典型的位置控制系統(tǒng)，其可分為動(dòng)臂、斗桿、鏟斗三個(gè)控制回路，且具有相似結(jié)構(gòu)形式。 工作裝置挖掘軌跡的控制，可歸結(jié)為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗三個(gè)桿件的平面控制問(wèn)題，即對(duì)于任意給定的動(dòng)臂、斗桿目標(biāo)軌跡和鏟斗方位角，可將其變換為工裝三桿件的目標(biāo)轉(zhuǎn)角序列，由微機(jī)控2 制電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使動(dòng)臂、斗桿和鏟斗跟蹤各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)軌跡控制 。對(duì)于任意給定，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)。其工作裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制是研制中的一個(gè)重要課題。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副之間的間隙及液壓馬達(dá)工作時(shí)的 內(nèi)部泄露 ，會(huì)對(duì)位置精度產(chǎn)生影響，但由于實(shí)際作業(yè)要求，誤差在允許范圍之內(nèi)，不會(huì)影響工作穩(wěn)定性。 圖 11 樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 名稱 長(zhǎng)度(mm) 行程(mm) 轉(zhuǎn)角范圍(186。模型不具備回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，無(wú)回轉(zhuǎn)功能。 預(yù)期成果： 依據(jù)實(shí)際情況要求完成以下工作： 1）畫出一張控制器和其外圍電路的原理圖； 2）系統(tǒng)仿真結(jié)果圖 3）編寫一萬(wàn)字以上的項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告一份 工作計(jì) 劃安排 ： 周 1 周 2 周 3 周 4 周 5 第 1 周 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 第 2 周 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì) 控制方法 控制方法 第 3 周 MATLAB仿真分析 答辯 同組設(shè)計(jì)者及分工： 指導(dǎo)教師簽字 ___________________ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字 ___________________ 年 月 日 目錄 第一章挖掘機(jī)工裝軌跡控制的機(jī)電液系統(tǒng)介紹 ............................................................................. 1 單斗液壓挖掘機(jī)的機(jī)械模型簡(jiǎn)介 ............................................