CN114458660A - 一种电控总线液压阀用控制系统及控制方法 - Google Patents

一种电控总线液压阀用控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电控总线液压阀用控制系统及控制方法，包括：供电模块，用于对输入电压进行变换处理，提供控制系统所需的电压；核心处理模块，用于接收阀芯位移传感器的采集信息，输出控制信息；输出控制模块，接收核心处理模块发出的控制信息，输出PWM功率驱动信号，同时产生相应的颤振信号，PWM功率驱动信号和颤振信号叠加在一起用于驱动比例电磁铁动作。优点：通过对作用在比例电磁铁的电流信号进行采样，实现电流闭环控制，必要时还可以实现阀芯位置闭环控制，提高比例电磁铁的控制精度，提升电控液压阀的控制效果。

Description

一种电控总线液压阀用控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电控总线液压阀用控制系统及控制方法，属于工程机械技术领域。
背景技术
在工程机械领域，电控比例液压阀的控制一般采用PWM控制比例电磁铁的输出实现，控制过程中的精度和响应速度是影响比例电磁铁控制效果的关键因素。工程机械行业的比例电磁铁控制方法主要采用开环控制或者核心处理器直接输出的闭环控制，控制精度的好坏还是取决于控制器硬件。另外，针对工程机械操作装置控制的精细化要求，对比例电磁铁控制精度的控制要求越来越高，同时对电液阀快速响应方面的要求也越来越高，采用开环控制或者通常的闭环控制很难满足现实的需求。
现有系统中对比例电磁铁的控制有的没有电流反馈控制，有的虽然具备电流反馈，但对阀芯的位移反馈控制一般没有，控制精度不高。另外PWM输出也一般由核心处理器直接控制，没有专门的输出控制模块，响应速度较慢。
利用开环控制或者由核心处理模块直接输出的闭环控制，响应速度无法得到保证，没有阀芯位移的闭环控制，控制精度较低，维护性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电控总线液压阀用控制系统及控制方法，能够提高比例电磁铁的控制精度，提升电控液压阀的控制效果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电控总线液压阀用控制系统，包括：
供电模块，用于对输入电压进行变换处理，提供控制系统所需的电压；
核心处理模块，用于接收阀芯位移传感器的采集信息，输出控制信息；
输出控制模块，接收核心处理模块发出的控制信息，输出PWM功率驱动信号，同时产生相应的颤振信号，PWM功率驱动信号和颤振信号叠加在一起用于驱动比例电磁铁动作。
进一步的，所述核心处理模块集成有串口、CAN总线控制器、A/D转换器、模拟量采集端口以及微控制单元；
模拟量采集端口，用于进行电源电压、温度以及阀芯位移传感器信息的采集；
A/D转换器，用于对采集的电源电压、温度以及阀芯位移传感器信息进行转换；
微控制单元，用于利用CAN总线控制器与外部单元进行交互，以及对A/D转换器转换的数据进行分析处理输出控制信息。
进一步的，所述核心处理模块集成有还集成有SPI总线接口，用于输出控制信息。
进一步的，所述核心处理模块还集成有存储单元，用于存储阀芯位移传感器的标定信息和故障信息。
进一步的，所述输出控制模块包括：
电流反馈单元，用于对比例电磁铁的电流信号进行采集；
输出控制器，用于接收控制信号，输出PWM信号给比例电磁铁，以及接收电流反馈单元采集的由接收PWM信号后的比例电磁铁产生的与占空比相适应的电流信号，分析所述电流信号是否和预期输出信号相匹配，如果不匹配调节占空比，直至与所述控制信息匹配；
PWM输出控制单元，用于接收输出控制器的占空比信息输出相应的PWM信号。
进一步的，所述输出控制模块还包括SPI总线接口，用于接收控制信息。
一种电控总线液压阀用控制方法，包括：
从消息队列中循环读取外部单元消息，如果成功读取消息，依据CANopen协议，按Can消息类别进行消息分发，分发的结果包括将外部单元信息存入板卡内存的数据字典中，或者触发板卡主动上报数据字典中的信息给外部单元；
在消息处理流程中，MCU接收外部触发的中断信号，中断信号的中断类型包括：CAN消息接收中断，A/D采样中断和系统定时器中断，根据中断类型分别进行如下处理：
CAN消息接收中断发生，将CAN消息存入消息队列中
A/D采样中断发生，根据采样值更新阀芯位移，板卡温度和电压参数；
系统定时器中断发生，扫描软件定时器和CANopen协议中设置定时器，如果软件定时器时间到则执行软件定时器任务，具体包括MCU内存是否发生溢出，板卡温度和电压参数是否达到设定的阈值，如果有异常发生，将异常信息写入EEPROM中，并将异常信息上报给外部单元，如果CANopen协议中定时器时间到则触发板卡将数据字典中信息上报给外部单元；
无异常信息和中断，循环执行位移传感器闭环控制。
进一步的，还包括：在从消息队列中循环读取外部单元消息之前进行初始化，包括：
对CAN，SPI，I2C，EEPROM进行驱动初始化；
分别对软件定时器初始化及启动，消息队列初始化；
对CANopen协议栈进行初始化。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明在对电液阀的控制中，核心控制器把控制信息通过SPI总线发送给输出控制模块，输出控制模块即可实现对比例电磁铁电流的闭环控制，而不需要核心控制器的参与，这样可以有效提高电液阀的响应速度。同时通过阀芯位置检测传感器可以实现对电液阀位置的检测，并可以经过核心处理器分析处理后实现阀芯位移闭环控制，可以提高系统的控制精度；
(2)本发明解决了传统的开环控制或者电流闭环控制造成电控液压阀响应速度慢，控制精度低的不足，十分契合工程机械行业比例电磁阀的高精度控制。
附图说明
图1为控制系统总体框图；
图2为电液阀闭环控制系统；
图3为控制器软件架构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
文中出现的缩略语含义为：SPI---Serial Peripheral Interface 串行外设接口的缩写，是一种高速、全双工、同步通信总线，通常有4根线（四线制），可实现全双工通信，传输速率可达几Mbps水平；PWM---Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制；A/D---Analog /Digital 模拟/数字转换；MCU---Micro Control Unit 微控制单元；CAN---ControllerArea Network 控制器局域网；I2C---是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息；EEPROM---Electrically Erasable Programmable read only memory 带电可擦可编程只读存储器；CANopen---是一种架构在控制局域网路（Controller Area Network, CAN）上的高层通讯协议；ID---Identity document，身份标识号。
本发明的一种电控总线液压阀用控制系统，具备SPI接口及输出电流和阀芯位移闭环控制功能，其特征为：该控制系统整体由硬件及软件组成，能够实现自身检测、位移传感器标定和信息存储、检测位移及电流信号，输出电流和阀芯位移闭环控制、和上位机CAN通讯，根据上位机指令对参数进行设置、通过总线传输工作状态、位移、温度、模块各电源电压及驱动电流、保存并上报模块故障信息给上位机功能。
下面结合附图对本发明的具体实施方法进一步阐述。
图1，所示为本发明控制系统总体框图，控制系统主要由供电模块、输出控制模块、核心处理模块以及阀芯位移传感器组成。供电模块对输入电压进行变换处理，提供系统所需的电压。核心处理模块包含核心处理器MCU、串口通信单元、CAN总线通信单元、存储单元、模拟量采集端口等口。核心处理器MCU内部集成具有串口、CAN总线控制器、SPI总线接口以及A/D等。MCU通过CAN总线可与外部进行交互，可接收上位机的信息，进行位移传感器的标定和信息存储，通过模拟量采集端口进行电源电压、温度以及阀芯位移传感器信息的采集处理。存储模块可存储传感器的标定信息和一些故障信息。输出控制模块主要包含SPI总线接口、PWM输出控制模块、电流反馈模块以及控制器。输出控制模块通过SPI总线接收核心处理器发出的控制信息。当外部设备通过CAN总线发出控制电液阀动作的信号后，核心处理器接收到信号进行分析处理，并转化为控制比例电磁铁的信号如电流，通过SPI总线发送信号给输出控制模块，输出控制模块接收到信息，输出PWM功率驱动信号，同时产生相应的颤振信号，叠加在一起用于驱动比例电磁铁动作。
图2，所示的为本发明中的电液阀闭环控制系统，此电液阀的闭环控制可以实现电流闭环和位置闭环。在输出控制模块内部，电流反馈模块实现对比例电磁铁电流信号的采集，并通过模块内的控制器实现电流闭环控制，因此电流闭环在输出控制模块内部就可以完成，而不需要核心控制器的参与，提升系统响应速度。当需要对电液阀阀芯的位置进行控制时，这时可通过阀芯位移检测传感器。阀芯位移传感器检测阀芯位移，并转化为可输入核心处理器A/D端的模拟量信号，经MCU分析处理后，通过SPI总线发送给输出控制模块，控制阀芯位移达到期望位置。通过阀芯位置的闭环控制，可有效提高电液阀的控制精度。
图3，所示为本发明中一种电控总线液压阀用控制方法的软件框架图，进入主函数后首先进行初始化工作，初始化的内容包括如下流程：
板卡驱动初始化，包括CAN，SPI，I2C，EEPROM等。
内存管理模块初始化，软件定时器初始化及启动，消息队列初始化。
板卡CANopen协议栈初始化工作，包括节点ID设置，数据字典的配置等。
初始化成功后，进入主循环，从消息队列中循环读取消息，如果成功读取消息，依据CANopen协议，按CAN消息类别进行消息分发，分发的结果包括将信息存入板卡内存的数据字典中，或者触发板卡主动上报数据字典中的信息给上位机。
在消息处理流程中，MCU会接收外部触发的中断信号，具体包括三种中断，分别为CAN消息接收中断，A/D采样中断和系统定时器中断，根据中断类型分别进行如下处理：
CAN消息接收中断发生，将CAN消息存入消息队列中。
A/D采样中断发生，根据采样值更新阀芯位移，板卡温度和电压等参数。
系统定时器中断发生，扫描软件定时器和CANopen协议中设置定时器，如果软件定时器时间到则执行软件定时器任务，具体包括MCU内存是否发生溢出，板卡温度和电压参数是否达到设定的阈值，如果有异常发生，会将异常信息写入EEPROM中，并将异常信息上报给上位机。如果CANopen协议中定时器时间到则触发板卡将数据字典中信息上报给上位机。
最后在主循环中进行位移闭环控制。
相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
相应的本发明还提供一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电控总线液压阀用控制系统，其特征在于，包括：
供电模块，用于对输入电压进行变换处理，提供控制系统所需的电压；
核心处理模块，用于接收阀芯位移传感器的采集信息，输出控制信息；
输出控制模块，接收核心处理模块发出的控制信息，输出PWM功率驱动信号，同时产生相应的颤振信号，PWM功率驱动信号和颤振信号叠加在一起用于驱动比例电磁铁动作。
2.根据权利要求1所述的电控总线液压阀用控制系统，其特征在于，所述核心处理模块集成有串口、CAN总线控制器、A/D转换器、模拟量采集端口以及微控制单元；
模拟量采集端口，用于进行电源电压、温度以及阀芯位移传感器信息的采集；
A/D转换器，用于对采集的电源电压、温度以及阀芯位移传感器信息进行转换；
微控制单元，用于利用CAN总线控制器与外部单元进行交互，以及对A/D转换器转换的数据进行分析处理输出控制信息。
3.根据权利要求2所述的电控总线液压阀用控制系统，其特征在于，所述核心处理模块集成有还集成有SPI总线接口，用于输出控制信息。
4.根据权利要求2所述的电控总线液压阀用控制系统，其特征在于，所述核心处理模块还集成有存储单元，用于存储阀芯位移传感器的标定信息和故障信息。
5.根据权利要求1所述的电控总线液压阀用控制系统，其特征在于，所述输出控制模块包括：
电流反馈单元，用于对比例电磁铁的电流信号进行采集；
输出控制器，用于接收控制信号，输出PWM信号给比例电磁铁，以及接收电流反馈单元采集的由接收PWM信号后的比例电磁铁产生的与占空比相适应的电流信号，分析所述电流信号是否和预期输出信号相匹配，如果不匹配调节占空比，直至与所述控制信息匹配；
PWM输出控制单元，用于接收输出控制器的占空比信息输出相应的PWM信号。
6.根据权利要求1所述的电控总线液压阀用控制系统，其特征在于，所述输出控制模块还包括SPI总线接口，用于接收控制信息。
7.一种电控总线液压阀用控制方法，其特征在于，包括：
从消息队列中循环读取外部单元消息，如果成功读取消息，依据CANopen协议，按Can消息类别进行消息分发，分发的结果包括将外部单元信息存入板卡内存的数据字典中，或者触发板卡主动上报数据字典中的信息给外部单元；
在消息处理流程中，MCU接收外部触发的中断信号，中断信号的中断类型包括：CAN消息接收中断，A/D采样中断和系统定时器中断，根据中断类型分别进行如下处理：
CAN消息接收中断发生，将CAN消息存入消息队列中
A/D采样中断发生，根据采样值更新阀芯位移，板卡温度和电压参数；
系统定时器中断发生，扫描软件定时器和CANopen协议中设置定时器，如果软件定时器时间到则执行软件定时器任务，具体包括MCU内存是否发生溢出，板卡温度和电压参数是否达到设定的阈值，如果有异常发生，将异常信息写入EEPROM中，并将异常信息上报给外部单元，如果CANopen协议中定时器时间到则触发板卡将数据字典中信息上报给外部单元；
无异常信息和中断，循环执行位移传感器闭环控制。
8.根据权利要求7所述的电控总线液压阀用控制方法，其特征在于，还包括：在从消息队列中循环读取外部单元消息之前进行初始化，包括：
对CAN，SPI，I2C，EEPROM进行驱动初始化；
分别对软件定时器初始化及启动，消息队列初始化；
对CANopen协议栈进行初始化。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求7至8所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求7至8所述的方法中的任一方法的指令。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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