卫 进(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院,北京 100083)

　　摘　要：介绍了一种专门为旋挖钻机的垂直起竖和井深测量而设计的控制系统的原理、实现方法和软硬件构成等。该系统基于高性能八位微处理器Mega128而设计,集成了垂直度检测、井深测量、垂直度控制和操作指示等功能。

　　关键词：旋挖钻机 电液比例控制 Mega128 PID PWM

　　旋挖钻机是一种用于建筑基础工程中成孔作业的施工机械。它是以履带为支承的回转斗式旋挖钻孔机械,其工作装置由动力头、伸缩钻杆、加压装置和液压系统等组成。

　　旋挖钻机的控制属于一般工业自动化应用领域,它要求一种廉价、节能、维护方便、适用于大功率控制及具有一定控制精度的控制技术,所以采用电液比例控制。它能够接受模拟信号和数字信号,使输出的流量或压力连续成比例地受到控制。电液比例控制系统[1]有数字控制系统、脉宽调节(PWM)控制系统等。

　　旋挖钻机钻桅的垂直度直接影响到所钻孔的质量,对于提高工程机械作业效率有着很重要的意义,保证其在要求的范围内是控制系统应完成的主要任务。所以旋挖钻机的控制方案为:根据操作员的指令,利用电液比例控制系统控制液压缸运动,实现钻具安全平稳起竖,进而保证旋挖钻机钻桅的垂直度在要求范围内。同时,精确的井深测量也能极大提高工作效率。所以,它也是控制系统应完成的任务。

　　目前,国内外旋挖钻控制系统的特点是其控制器的所有控制规律处理、输入/输出信号波形处理和功率放大等都由模拟电路进行,因此迫切需要改进。而旋挖钻机控制的数字化正是目前提高旋挖钻机工作性能的必然要求和发展趋势。

1 计算机控制系统方案

　　控制系统方案如图1所示。系统监测倾角传感器信号、比例阀反馈信号、液压缸位置传感器信号和操纵杆发来的指令,根据控制算法产生控制数据,控制数据经过转换算法产生控制量(PWM信号),并通过驱动电路控制电液比例阀,采用反馈控制技术实现两个液压通道的精确同步控制,克服了钻具起竖过程中由于两个比例方向阀参数不一致而造成的歪斜。

　　旋挖钻机的正常工作还需要许多辅助系统,在本控制系统中包含有井深测量控制系统、故障检测系统和保护控制系统。为满足不同旋挖钻机的控制需要,本系统还具有控制参数设置和旋挖钻机工作过程参数显示等功能。

图1旋挖钻机控制系统结构图

2 主要技术指标

　　·垂直度(圆周)误差<0.2°,也就是在两个正交轴上,倾角误差的平方和的平方根小于0.2°;井深测量误差可控制在小于10cm的范围内。

　　·提供稳定的±5V和±10V电压接口,以满足操纵杆和传感器的用电要求。

　　·提供八路开关量输出信号,用于系统保护、告警和状态指示。

　　·可控制两个三位四通比例换向阀,驱动电流大于2A。

　　·提供RS232接口,用于系统参数设定、故障检测,并提供CAN总线接口,用于系统组网。

3 系统硬件配置

　　该控制系统主要由电源、传感器供电电源、模拟信号处理、单片机、RS232接口、CAN总线接口、PWM功率放大、数字输入输出、计数输入、液晶显示器接口、数字键盘接口等部分组成,其配置框图如图2所示。

3．1 电源部分

　　电源部分结构图如图3所示,包括滤波、电源反接保护、过压状态输出、欠压状态输出、+5V稳压输出、±12V稳压输出、速熔保险等电路。应选用开关型稳压模块,以实现高输入电压下的低功耗稳压输出。本系统使用LM2575HVT-5.0和LM2575HVT-12.0电源模块。电压的输出要有顺序,首先输出+5V电压,然后在系统控制下输出±12V电压。

　　电源反接保护电路使用整流电桥。PWM功率放大器的电源要经过滤波器、速熔保险和电源反接保护电路。过压和欠压状态输出使用比较器实现,考虑了暂态问题。

图2 系统配置框图

图3 电源部分结构图

3．2 传感器供电电源

　　传感器的供电由以下几部分组成:倾角传感器直接使用电源供给的+12V稳压直流电;霍耳传感器直接使用+5V电源提供的稳压直流电;操纵杆和液压缸位置传感器使用的是高稳定度的±5V和±10V电源。因此,传感器供电电源主要为由基准电源和运算放大器组成的高稳定度的±5V和±10V电源。本系统中的运算放大器选用低噪声、高精度的TS524I运算放大器。

3．3