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1、学校代号：1 0 5 3 2学密号：S 0 9 0 9 W 2 0 7级：普通湖南大学硕士学位论文电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究LII-IIII，。：。j。-，IIR e s e a r c ho fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nl a r g em a i n t e n a n c em a c h i n e r yb yX I O N GX i a n gB E(
2、N o r t h e a s tF o r e s t yU n i V e r s i t y)2 0 0 9At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h eR e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n gC o n t r o lE n g i n e e r i n gi nt h eG r a d u a t eS c h o o lo fH u n a nU n i
3、 v e r s i t yS u p e r v i s o rP r o f e s s o rP E N GC h u w uS e n i o rE n g i n e e rM AS h i h o n gA p r i l，2 0 1 1一湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：镑荔酮日期：少，年，月厶日学位论文版权使
4、用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密团。(请在以上相应方框内打“”)日期：1 1 年，月厶日飘泐降多B画绷埋艺1I，彳吖l包刁名名签签者师作导电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究摘要铁路大型养路机械的使用是使铁路工务的施工设备实现机械化、专业化、现代化目标的重大举措。在铁路大型养路机械中运用
5、了大量的电液比例控制阀，如对捣固车的捣固装置升降的控制、稳定车中稳定装置振动控制、稳定装置中左右垂直预加载力的控制等。因此，研究电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用对于提高铁路大型养路机械的控制水平具有较大的现实意义。论文阐述了铁路大型养路机械及电液比例控制技术的国内外研究与应用现状，探讨了电液比例阀的工作原理以及电液比例控制技术的基本原理，研究了电液比例控制技术在大型养路机械网络控制平台中的应用方法，结合对抄平起拨道捣固车工作环境的特点和捣固车电气系统的控制需求的分析，完成了网络控制平台底层硬件电路的设计工作，即以T I 公司的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2D S P 为底
6、层硬件电路的控制核心，辅以其他外围模块组建成底层硬件平台。并针对底层硬件平台的工作环境，研究并设计了相应的抗干扰电路。研究了P W M 方法及其控制技术的优势，完成了采用P W M 技术驱动电液比例阀的控制电路设计。针对比例阀中位死区在位置闭环控制系统中对系统性能的影响比较严重的情况，采用了线性化补偿P I D 控制方法，从而有效地减小比例阀死区的影响和提高系统控制精度。针对捣固车网络控制平台调试过程中，出现的I O 驱动模块输出存在的问题，如：M O S F E T 发热、模块发热和过流保护不可靠等，进行了改进设计。本文的研究成果已分别在0 8 3 2 型捣固车和W D 3 2 0 型动力稳
7、定车上成功应用，验证了其有效性和实用价值。关键字：大型养路机械；电液比例阀控制：硬件电路；脉宽调制技术工程硕士学位论文A b s t r a c tT h eu s eo fl a r g e s c a l em a i n t e n a n c em a c h i n e r yo fr a i l w a yi st h em a jo rm e a s u r e st om a k et h er a i l w a yc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tr e a l i z et h eg o a lo fm e c h a n i
8、 z a t i o ns p e c i a l i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o n Al o to fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lv a l v e sc o n t r o lc i r c u i t ss u c ha st h ec o n t r o lc i r c u i to fs t a m p i n gd e v i c e Sp r o m o t i o na n dd e m o t i o n，t h e
9、c o n t r o lc i r c u i to fs t a b i l i z i n gd e v i c e Sv i b r a t i o na n dt h ec o n t r o lo fs t a b i l i z i n gd e v i c e St h el e f ta n dr i g h tv e r t i c a lp r e l o a df o r c ea r eb e i n gu s e di nl a r g e。s c a l em a i n t e n a n c em a c h i n e r y T h e r e f o r
10、 e，t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nl a r g e s c a l em a i n t e n a n c em a c h i n e r yh a sg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h el e v e lo fc o n t r o ll a r g e
11、 s c a l em a i n t e n a n c em a c h i n e r y T h i sp a p e re x p o u n d st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns t a t u si nt h er a i l w a yl a r g e-s c a l em a i n t e n a n c em a c h i n e r ya n de l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i
12、o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y，d i s c u s s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y,s t u d i e st h
13、 ea p p l i c a t i o nm e t h o d so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi nl a r g e-s c a l em a i n t e n a n c em a c h i n e r y Sn e t w o r kc o n t r o lp l a t f o r m，a n a l y z e st h ew o r ke n v i r o n m e n ta n dt h ee l e c
14、 t r i c a lc o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t so ft h ec o p i e df r o mf l a tl i n i n gt a m p i n gm a c h i n ea n dc o m p l e t e st h ed e s i g nw o r ko ft h en e t w o r kc o n t r o lp l a t f o r m Su n d e r l y i n gh a r d w a r ec i r c u i t T h eu n d e r l y i n gh a
15、 r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e st h eT I ST M S 3 2 0 F 2 812D S Pw h i c hi St h ec o n t r o lc o r ea n do t h e rp e r i p h e r a lm o d u l e s A n t i-i n t e r f e r e n c ec i r c u i ti sb e i n gd e s i g n e db e c a u s eo ft h eh a r s hw o r ke n v i r o n m e n to fu n d e r
16、l y i n gh a r d w a r ep l a t f o r m T h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ea d v a n t a g eo fP W Ma n di t sc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc o m p l e t e st h ee x c o g i t a t i o no fe l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o lc i r c u i td r i v e n
17、b yP W M A c c o r d i n gt op r o p o r t i o n a lv a l v em e d i a nd e a dz o n ee f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ms e r i o u s l yi np o s i t i o nc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m，l i n e a r i z a t i o nc o m p e n s a t i o nP I Dc o n t r o lm e t h o di
18、sb e i n ga d o p t e dt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fp r o p o r t i o n a lv a l v em e d i a nd e a dz o n ee f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h es y s t e m Sc o n t r o lp r e c i s i o n A c c o r d i n gt ot h eI Od r i v e rm o d u l e Sp r o b l e m sa p p e a r e di nt h ed e
19、 b u g g i n gp r o c e s st ot h et a m p i n gm a c h i n e Sn e t w o r kc o n t r o lp l a t f o r ms u c ha sh i g ht e m p e r a t u r eo fM O S F E Ta n dm o d u l ea n du n r e l i a b i l i t yo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n，i m p r o v e m e n ti sI I I 电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究b e
20、i n gr a i s e da n dr e a l i z e d T h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h i sp a p e ri sb e i n gs e p a r a t e l ya p p l i e di n0 8 3 2t y p et a m p i n gm a c h i n ea n dW D 一3 2 0t y p eD y n a m i cs t a b i l i t ym a c h i n e，w h i c hv e r i f i e dt h ed e s i g n Sv a l i
21、d i t ya n dp r a c t i c a lv a l u e K e y w o r d s：l a r g em a i n t e n a n c em a c h i n e r y；e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l；h a r d w a r ec i r c u i t；P W M工程硕士学位论文目录学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书I摘要I IA b s t r a c t I I I第1 章绪论11 1 课题背景和意义11 2 大型养路机械简介l1 3 电
22、液比例控制技术概述31 4 本文研究的主要内容和组织结构5第2 章电液比例控制技术62 1 电液比例阀及其工作原理62 2 电液比例控制技术的基本原理一8第3 章捣固车网络控制平台底层硬件设计1 23 1 底层硬件电路总体设计1 23 2D S P 控制电路设计1 23 2 1D S P 电源模块设计1 33 2 2A D 转换模块设计1 43 2 3G P I O 控制电路1 53 3 通讯电路设计1 83 3 1C A N 通信电路设计1 83 3 2R S 2 3 2 接口电路设计1 93 3 3S P I 接口电路设计2 03 4 硬件抗干扰设计2 1第4 章基于P W M 技术的比例
23、阀控制2 64 1P W M 技术2 64 2 控制电路设计2 74 3 中位死区分析及减小方法2 94 3 1常用减小电液比例阀死区的方法2 94 3 2 线性化补偿方法的研究3 04 3 3 采用线性化的P I D 控制方法3 24 4，J、结3 4第5 章I O 驱动模块的设计与调试3 5电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究目E 目自自=E=E l 自=目|g 自=g 昌!=!=n 一i 一一i n H i2=!=!自=目=目目i 目自=E 目5 1I O 驱动模块电路设计i 一3 55 2M O S F E T 发热问题及改进办法3 65 2 1M O S F E T 发热问
24、题分析3 65 2 2 改进方法3 75 3 采样电阻发热问题及改进方法3 85 3 1 采样电阻发热问题分析3 85 3 2 改进方法3 95 4 短路问题及改进方法3 95 4 1 短路问题分析3 95 4 2 改进方法4 05 5 实验结果与分析4 15 5 1M O S F E T 关断时间与温升实验4 15 5 2 陶瓷电阻温升实验4 4总结与展望一4 5参考文献4 7致j 射5 0-V I-工程硕士学位论文1 1 课题背景和意义第1 章绪论随着国家现代化建设的飞速发展，铁路运输业的任务越来越繁重，对机车高速安全运行的要求越来越高，这样就对铁路线路的标准化程度的要求也就越来越严格。铁
25、路部门的一项重大任务和研究课题就是铁路线路的新建和养护。自上世纪8 0 年代以前，我国还是采用人工作业和小型机械的方式进行线路养护，这根本不能满足铁路高速发展的要求。于是，奥地利的普拉塞与陶依尔(P l a s s e r&T h e r u e r)公司一系列大型养路机械及其先进制造技术从上世纪8 0 年代末开始被引进，以代替人工作业和小型养路机械，这极大地提高了铁路养路效率，推动了我国铁路事业的快速发展，同时也使我国在铁路新线建设和既有线路的养护方式上达到国际先进水平【l】。自引进国外的设备和技术以来，我国铁路新线建设、大修和维护就实现了机械化作业，即采用抄平拨道捣固车和动力稳定车联合作业
26、的配套作业模式。先用捣固车对铁路轨道进行拨道、起道抄平、道碴捣固及道床肩部石碴的夯实作业，使轨道方向、左右水平和前后高低均达到线路设计标准或线路维修技术规范的要求，然后再利用动力稳定车对道床进行稳定，如此重复数次，最终使道床稳定、密实，各项参数都符合铁路线路标准化的要求【2】。在大型养路机械中运用了大量的电液比例控制阀，如捣固车的捣固装置升降的控制、稳定车中稳定装置振动控制、稳定装置中左右垂直预加载力的控制等。电液比例阀与传统的液压控制阀比较，虽然其价格较贵，但是由于其控制水平良好，因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平的地方，传统液压控制阀就逐渐由比例阀或数字阀替代。所以电液比例阀的前
27、景广阔。因此，研究电液比例阀控制技术在大型养路机械中的应用对于提高铁路大型养路机械的控制水平意义重大。1 2 大型养路机械简介在自然条件和列车长时间运行的作用下，铁路线路会不可避免地发生变形或损坏。为延长线路各组成部分的使用寿命，确保列车安全、平稳、快速运行，必须加强铁路线路的养护和维修工作，使线路设备经常保持良好的状态。铁路线路养护成为铁路运输组织体系中一项基础性的工作，成为确保运输安全、运输效率、运输服务的前提。铁路养护工作不到位，一切便都无从谈起【3】。而我国铁路已经有百余年的历史。百余年来，随着铁路事业的整体进步，铁力分别达到线路捣固3 3 0 0 0 公里，道床清筛3 5 2 0 公
28、里，钢轨打磨4 2 0 0 公里，道工程硕士学位论文岔捣固1 2 6 0 0 组。为适应大型养路装备的组织需要，全路范围内陆续成立了1 9 个大型养路机械段，全部采用大型养路机械进行线路的大型维修作业。装备规模的不断扩大，极大的提高了大型养路机械的作业能力，并发挥了其特有的作用：保证了线路大修、维修工作的正常需要，并在灾害抢险中尽快开通线路发挥重要作用，使新建线路提高开通速度的成为可能，在全路五次大提速工程中，顺利完成了线路改线、调整超高等大量工程任务，线路达到目标速度得以实现等等。经过对国外先进技术的引进、消化和吸收，我国已实现了大型养路机械系列产品的国产化，拥有部分知识产权，并迅速占领了国
29、内市场，为我国铁路养护现代化和铁路多次大提速做出了巨大贡献【4】。图1 1 为正在作业中的D C 3 2 型捣固车。图1 1 作业中的捣固车1 3 电液比例控制技术概述基于电液比例阀的电液比例控制技术是一门起步较晚，但发展极为迅速、应用己相当广泛的机电液一体化综合技术，是为适应开发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工业实际需要的新型控制技术。比例控制技术是2 0 世纪6 0 年代末人们开发的一种介于普通开关控制与伺服控制之间的可靠、价廉、控术基础，它正越来越广泛地为各工业控制领域所采用。从1 9 9 0 年至今，是电液比例技术进一步完善的阶段。这一阶段有两项重要的新产品问世。其一是推出
30、了伺服比例阀，这种阀解决了闭环控制要求死区小的问题，它的性能与价格介于伺服阀和普通比例阀之间。其二是计算机技术与比例工程硕士学位论文元件的结合，开发出了数字式比例元件和数字式比例系统7 1。1 4 本文研究的主要内容和组织结构本文课题由株洲时代电子技术有限公司提出。作者于2 0 1 0 年8 月至2 0 1 0年4 月期间在株洲时代电子技术有限公司实习，参与到科研项目“铁路大型养路机械网络控制平台”的开发工作。本文主要研究了在大型养路机械网络控制平台中的电液比例控制应用技术，并在0 8 3 2 型捣固车和W D 3 2 0 型动力稳定车上成功的应用，完成了铁路大型养路机械网络控制平台的底层硬件
31、电路的设计工作，为大型养路机械网络控制平台的整体功能的实现打下良好的基础。本文的结构和主要内容安排如下：第l 章，绪论。本章介绍了课题研究背景和意义、大型养路机械简介、电液比例控制技术概述和本文的主要结构和内容。提出了电液比例控制技术在大型养路机械中的应用研究这个研究课题，对提高铁路大型养路机械的控制水平意义重大。第2 章，电液比例控制技术。本章主要介绍了比例阀及其工作原理，研究了电液比例控制技术的基本原理以及比例电磁铁的控制原理，研究了电液比例控制技术在大型养路机械网络控制平台中的应用。第3 章，捣固车网络控制平台底层硬件设计。针对捣固车工作环境的特点和捣固车电气系统的控制要求进行分析，设计
32、完成了网络控制平台底层硬件电路，并完成了系统的抗干扰设计。第4 章，基于P W M 技术的比例阀控制。本章研究了P W M 技术的应用，设计电液比例阀的P W M 驱动电路。并对电液比例阀的中位死区进行了分析，提出了一种采用线性化的P I D 控制方法来减小电液比例阀的中位死区的方法。第5 章，I O 驱动模块的设计与调试。本章主要完成了I O 驱动模块电路设计，并对I O 模块在实际使用过程中出现的问题进行分析，提出了解决方案，在对实验结果进行对比分析的基础上，完成了对I O 驱动模块电路的改进。电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究第2 章电液比例控制技术2 1 电液比例阀及其工作
33、原理电液比例阀(简称比例阀)，如同电子技术的晶体二极管、三极管，是电液比例控制技术的核心和主要功率放大元件。它以传统的工业用液压控制阀为基础，采用模拟式电气一机械转换装置，将电气信号转换为位移信号，按输入电信号指令，连续成比例地控制液压系统油液的压力、流量或方向等参数【8】。电液比例阀是实现电液比例控制技术的关键控制器件。随着电子技术的发展，新型电液比例阀的控制精度和稳定性大幅度提高。与手动调节和通断控制的普通阀相比，它能明显的简化液压系统，实现复杂程序和运动规律的控制，通过电信号实现远距离控制，大大提高了液压系统的控制水平。与电液伺服阀相比，尽管其动态性能有些逊色，但其成本具有明显优势，价格
34、远低于精密的伺服阀。而且其工作环境可以比电液伺服阀恶劣。随着新型电子技术的发展，新一代电液比例阀的性能已经接近电液伺服阀【9】。电液比例阀与伺服控制系统中的伺服阀相比，虽然性能在某些方面还有一定的差距1 9 J。但是，电液比例阀的显著优点是抗污染能力强(过滤精度为2 5 9 m)，由于污染而造成的工作故障的可能性大大降低，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性，因此更适合于工业过程；另一方面，比例阀的成本比伺服阀低，结构简单且不包含敏感和精密的部件，更容易操作和保养，己在许多控制场合获得广泛应用【10 1。0 9 3 2 型捣固车的作业小车控制环节采用的R e x r o t h 公司的比例阀4
35、W R Z l 6 M。由阀体、阀芯、比例电磁铁组成，具体结构如图2 1 所示。纰制电f国冀弋蠡。氩匡萝1f 幽一L。三r乞丝黼。麴汹嬲一4!I。V X 珏lyr，l _图2 1 比例阀结构比例阀的工作原理简单，首先设定的控制电压输入放大器，放大器则通过恒流源输出一个相对应的电流信号至比例式电磁线圈，比例式电磁线圈产生一个相对应的电磁力，电磁力再驱动电枢。电流流过比例电磁铁时，工作阀阀芯产生位一工程硕士学位论文移，阀1 3 尺寸发生改变，输出相对应的流量及压力，以达到控制比例阀流量及压力之目的。然后设定压力和流量的高压油推动油缸和液压马达，将液压能转化成可控的机械能【1 1 1。因此衡量比例阀
36、的控制特性主要是电流和输出流量的关系，R e x r o t h 公司的比例阀4 W R Z l6 M 特性如图2 2 所示。f 甜鼢裁地J 器麓p=5b s r)童0C薯考2 0o鹾，oabF 为F OL1 0。6 0O2 002 0的鲫8 01 0 0控制电流I 阳图2 2 比例阀特性。由图可知比例阀的控制参数包括死区电流、电流增益和斜坡信号。(1)死区电流比例阀的开通角和所流过线圈的电流不是成正比的，而且存在死区电流，即要流过一定的电流比例阀才会开通。不同的阀死区电流是不一样的，关系如图2 3 所示。，(2)电流增益比例阀的开通角和控制信号存在一定关系，当驱动电流大于死区电流时，电流越大
37、，比例阀的开通角越大，不同的阀对应不同的曲线上升速度，具体如图2 3所示。，、爿l，!莠l，l，。，厂ol 电流一；f羊毛点点三蓍件夕。厂。馘(再：图2 3 死区电流调节图和开通角和电流的关系图(3)斜坡信号斜坡信号主要是解决状态突变过程中系统所产生的冲击，控制环节中应该减电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究少电流的突变，加入柔性启动环节，可使响应平顺。因此，一般的比例控制环节中包含死区电流、电流增益和斜坡信号三个方面的调节，同时还会有产生“颤振 的电路【4 1。2 2 电液比例控制技术的基本原理使用比例控制元件的液压控制系统，人们常称为电液比例控制系统。从技术角度来讲，比例控制是实
38、现元件或系统的被控制量与控制量之间线性关系的技术手段，因此可以保证输出量的大小按确定的比例随着输入量的变化而变化。电液比例控制技术是适应现代工业要求而发展起的一种廉价、节能、维护方便、适应大功率控制及具有一定控制精度的电液控制系统引。电液比例控制系统是以电液比例阀作为控制元件的液压传动系统。现在比例阀有些是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化的元件，使得结构更紧凑，性能进一步提高。未来可能还带有存储器，具有自动检测和报警功能，只要接受简单的指令，阀就能完成一系列的工作。由于比例阀具有上述众多优点，因此电液比例技术与价格昂贵，对油质要求严格的电液伺服技术相比，有着更广阔的应
39、用空间。电液比例阀将作为普通的液压元件而大量应用，并与传统的液压阀分享工业市场l l 引。电液比例控制系统尽管其机构各异，功能也不相同，但都可归为功能相同的基本单元组成的系统，如图2 4 所示。图2 4 电液比例控制系统结构方框图电液比例控制系统的组成元件有：(1)指令元件它是给定控制信号的产生与输入的元件。在有反馈信号存在的情况下，它给出与反馈信号有相同形式和量级的控制信号。指令信号可以手动设定或程序设定。(2)比较元件它的功用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号作为电控器的输入。进行比较的信号必须是同类型的，比例电控器的输入量为电学量，因此反馈量也应转换成同类型的电学量。遇到不同类
40、型的量做比较，在比较之前要进行信号类型转换，例如A D 或D A 转换，或机电转换等。8 工程硕士学位论文(3)电控器元件电控器通常被称作比例放大器。由于含在比例阀内的电磁铁需要的控制电流较大而偏差控制电流较小，不足以推动电磁铁工作，所以要对控制信号进行功率放大，使达到电机转换装置的控制需求。(4)比例阀比例阀内部可分为两大部分，即电机转换器及液压放大元件。(5)液压执行器通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于驱动负载。(6)检测反馈元件用于闭环控制需要加入检测反馈元件。它检测被控量或中间变量的实际值，得出系统的反馈信号。检测元件往往又是信号转换器，用于满足比较的要求。从图2 4 中
41、可以看出，检测元件有内环和外环之分。内环检测元件通常包含在比例阀内，用于改善比例阀的动、静特性。外环检测元件直接检测输出量，用于提高整个系统的性能和控制精度【1 4】。在本文研究的大型养路机械网络控制平台的执行机构中就用到了比例减压阀、溢流阀、节流阀、伺服阀和电磁换向阀等。捣固车的捣固头升降液压回路采用的就是电液比例阀。比例电磁铁是比例阀的重要组成部分，是比例阀中的电一机械转换器件，其功能是将比例放大器输出的电信号转换成力或位移。比例电磁铁推力大，结构简单，对油液清洁度要求不高，维护方便，成本低，衔铁腔可做成耐高压结构，是比例阀中广泛应用的电一机械转换器件。比例电磁铁的特性及工作可靠性，对比例
42、阀的性能具有十分重要的影响，是比例阀的关键部件之一【1 5】。0比例阀控制器是向比例阀中比例电磁铁的线圈提供电流的装置，通过控制线圈电流的大小，以控制比例电磁铁中衔铁力的大小或位移。图2 5 比例电磁铁控制原理图电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究材。q)-u 6 q)：(疋+尺P)f O)+厶d j i(_ t)(2 1)姒归蚝掣(2 2)电信号反馈到比例阀控制器的输入端，构成衔铁的位移闭环控制系统。综上所述，对式(2 1)、式(2 2)、2 t：(2 3)、式(2 4)在初始条件为零的条件下进1。工程硕士学位论文行拉氏变换，经整理得系统的传递函数为器一疋K K e t(尺。+名+
43、K K b)二+(去+堡)二+堕+0,7 P 二二C O 口C O mF式中C O。=(疋+r p+髟K 6)L。；一衔铁一弹簧组件的谐振频率；氏一衔铁一弹簧组件的阻尼比。在没有干扰作用下的比例电磁铁的理想输出为x。o)：垒丝盟仁+1)(乓+堕s+1)l一；2式中q 一主要由电气转折频率吐引起的一阶微分环节的转折频率；吐一主要由弹簧一质量系统谐振频率。引起的二阶环节的固有频率；民一二阶环节的综合阻尼系数。比例阀控制器的给定信号甜。O)不仅通过比例阀控制器产生一个对应的控制电流，进而产生推动衔铁的电磁力，而且还是衔铁位移的给定信号，衔铁在电磁力作用下，总要走到与给定信号对应的位置【1 6】。电液
44、比例控制技术因其技术上的优势将更广泛地应用到各个领域。本课题所涉及的大型养路机械的网络控制平台，它的大部分执行机构都采用了大量的电液比例控制阀控制电路，如捣固车的捣固装置升降的控制、稳定车中稳定装置振动控制、稳定装置中左右垂直预加载力的控制等。并且执行机构中就用到了比例减压阀、溢流阀、节流阀、伺服阀和电磁换向阀等均用到了比例电磁铁的控制技术。电液比例控制技术及其在大型养路机械中的应用研究第3 章捣固车网络控制平台底层硬件设计根据捣固车工作环境的特点和捣固车电气系统的控制要求，在捣固车网络控制平台底层硬件电路设计中选用的电子元器件必须具有稳定的电气性能和较强的抗干扰能力【17 1。本文研发的平台
45、的底层模块电路的控制核心设计采用T I 公司的T M S 3 2 0 F 2 81 2D S P 1 引，并辅以其他外围电路，组建控制系统的底层硬件电路0 9 1o3 1 底层硬件电路总体设计根据捣固车网络控制平台的控制功能需求，本文所设计的底层控制模块硬件电路总体设计结构框图，如图3 1 所示。图3 1D S P 底层控制模块结构框图3 2D S P 控制电路设计D S P 2 0 1 系统的硬件设计是在考虑算法需求、成本、体积和功耗核算的基础上完成的，一个典型的D S P 硬件系统主要包括：D S P 芯片及D S P 基本系统、A D和D A 转换器、程序和数据存储器、各种控制口和通信口
46、、模拟控制与处理电工程硕士学位论文路、电源处理电路和同步电路等【2。3 2 1D S P 电源模块设计捣固车整车电源由四组蓄电池提供，当发动机启动时，有三台发电机给蓄电池充电。主蓄电池为2 4 V 2 0 0 A H，激光发射器和激光接收器由两组1 2 V A h 的蓄电池分别供电，G V A 则由一组2 4 V 蓄电池单独供电。捣固车电气控制系统的主要电源为主蓄电池，我们发现，主蓄电池在实际测量中能够产生稳定的直流电源，其电压值为2 7 5 0 5 V。捣固车上所有车载电气模块所需要的电源电压都是由蓄电池提供的电压经过不同的电源转换电路转换而成。捣固车网络控制系统采用捣固车车载电源供电。D
47、S P 所用的电源是由车载2 4 V 直流电源，经过电源模块转换成5 V 功率为1 0 W 的电源，这个5 V 电源再经过T I 公司的专业电源转换芯片转换而来的。图3 2 为D S P 供电电源转换电路。3 3 V 1 8 V 电源一l 善3：；G N DG N D出V D nV O U T l2 3一t 3 3B 工】F一一IV D 4 lV O U T lj 堡jII1匕c 1 N Cf B l田砒s R 1 8 j=l-_ _ _ _ _ _ J6M RN C 2 0P R S TE N lP G l臣1 8 l P G P G 7 汀T 叠5I n，、R 1 8 17l o u-n
48、TT i-,If _ 18E N 2P G 2c 149R E S E TN C而一：_ 一一一=C 1 j，n n f-一一l OG N DF B 2羽忆。哪一“牟11 lV D j 2V O U T 2+I1 2V 玳2V O U T 21 3一一一IIIG N DG N D叼OJD G N D图3 2D S P 供电电源电路T M S 3 2 0 F 2 8 12D S P 要求有五个供电电源：(1)C P U 内核电源：当系统工作频率为1 3 0 M H z 情况下，核心电源为V D D=I 8 V；在系统工作频率为1 5 0 M H z 情况下，核心电源为V D D=I 9 V；(2
49、)数字I O 供电电源，V D D I o=3 3 V；(3)F l a s h 编程电源3 3 V；(4)模拟电路电源3 3 V；(5)模拟I O 供电电源，V D D A l 0=3 3 V。故T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 正常工作需要两种电压：V D D 和V D D I o。V D D 给D S P 内核供电，其电压为1 8 V，V D D I o 给I O 接口供电，其电压为3 3 V。这两种电源还必须考虑它们的配合问题。在加电过程中，如果只有内核获得供电，I O 接口没有得到供电，只是没有了输入输出能力，对D S P 芯片没有任何伤害。相反则可能出现大的电流而影响器件
50、的使用寿命，甚至损坏器件。因此器反映作业中实际轨道的弯曲度；捣固头深度传感器反映作业中捣固装置实际位置。此类传感器信号与捣固车作业精度息息相关密不可分。除此之外，还有液压油油位传感器、蓄电池的充放电电流传感器和检测发动机状态的压力和温度传感器等，这些传感器信号反映捣固车关键部件的状态，对行车和作业安全起着至关重要的作用。综上所述，由于F 2 8 1 2 内嵌1 2 位的A I D 转换模块无论从转换精度还是从外工程硕士学位论文围电路设计上考虑，都不能满足捣固车控制系统的要求，所以本文采用T I 公司的A D 转换芯片A D S 8 3 6 4 构建D S P 外围A D 转换电路。A D S