CN114995238B - 一种泵车臂架可编程式负载口独立控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种泵车臂架可编程式负载口独立控制器及其控制方法,该控制器主要由控制器外壳和控制板组成,控制板包含ARM芯片、仿真器接口、信号采集模块、功率放大模块、CAN通讯模块和RS485通讯模块;所述的控制板上还设有若干外部接口,可通过信号采集模块采集臂架油缸两腔压力,通过CAN1通讯网络建立控制器与泵车遥控器间的控制指令通讯,并采集各臂架倾角信号;通过CAN2通讯网络采集各臂架油缸运动位置,并将位置信息传输至控制器;ARM芯片根据运动控制指令、油缸速度、压力、臂架角度及油缸工作模式,通过4路自适应PID闭环控制,分别对臂架油缸的两腔压力和油缸速度进行独立控制,实现臂架油缸的负载口独立控制,提高臂架油缸在运动过程中的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及智能液压控制领域,尤其是针对泵车臂架系统开发了一种泵车臂架可编程式负载口独立控制器及其控制方法。
背景技术
随着我国经济建设持续稳定的发展,工程建设项目逐渐增多,施工范围和规模逐渐扩大,作为混凝土输送的专业施工设备,混凝土泵车的应用越来越广泛,在缩短施工周期,提高工程质量和节省成本等方面有着不可替代的优势。传统泵车臂架液压系统采用多路换向阀加平衡阀的控制方式,这套液压系统方案技术已经成熟,但存在臂架油缸响应滞后,操作反馈感较差,管路系统复杂及能耗高等问题。而负载口独立控制技术作为一项新兴技术已经在液压系统中逐步得到应用,展现了良好的运动控制性能以及节能潜力。为此基于负载口独立控制技术,提出分布式臂架液压系统及其控制方法,进一步提升臂架的运动性能,具有一定的工程价值。
发明内容
为了克服传统泵车臂架液压系统存在的臂架油缸响应滞后,操作反馈感较差,管路系统复杂及能耗高等问题。本发明基于负载口独立控制阀开发了一种泵车臂架可编程式负载口独立控制器及其控制方法,通过多传感器融合和复合控制,实现对负载口独立控制的多级臂架油缸的复合运动控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明提供了一种泵车臂架可编程式负载口独立控制器,其包括控制器外壳和位于控制器外壳内的控制板,所述的控制板包含ARM芯片、仿真器接口、信号采集模块、功率放大模块、CAN1通讯模块、CAN2通讯模块和RS485通讯模块;每个控制器和2套负载口独立控制阀配合使用,用于控制2套臂架油缸运动;
所述的仿真器接口用于烧录固件程序,所述的信号采集模块用于采集2套臂架油缸的有杆腔压力和无杆腔压力;
所述的控制板上设有若干外部接口,所述外部接口包括wifi接口、PC端接口和调试接口;所述的wifi接口用于实现电脑端或手机端与控制器之间的通讯;所述的调试接口与外部的CAN调试模块连接,用于控制程序更新和软件调试;所述的PC端接口用于实现PC端通讯;
所述的CAN1通讯模块,用于建立控制器与泵车控制器间的运动控制指令通讯,各臂架上的倾角传感器通过CAN1通讯模块实时将臂架角度传输至各控制器;所述的CAN2通讯模块用于采集各臂架油缸活塞杆位置,每个控制器的CAN2通讯模块并联在一起,并将所有臂架油缸位置信息传输至上位机进行监测;
所述的ARM芯片根据采集到的运动控制指令、油缸速度、压力、臂架角度信号及臂架油缸工作模式,通过4路自适应PID闭环控制,分别对臂架油缸的两腔压力和两腔进油速度进行独立控制,实现臂架油缸的负载口独立控制;
所述的功率放大器,用于将ARM芯片计算输出的控制信号进行功率放大,输出0至590mA的控制电流,用于控制负载口独立阀上的比例流量阀开口大小,功率放大器内置输出电流的PID闭环控制,实现臂架油缸两腔的压力控制和臂架油缸的速度控制;
所述的RS485通讯模块用于控制器与上位机的通讯,实现对臂架油缸工作状态的实时监测及指令传输。
作为本发明的优选方案,所述的信号采集模块采用24位高精度ADC采集芯片,包括4路模拟电流采集电路,通过控制器外部接口与电流型压力传感器连接,分别用于采集2套臂架油缸的有杆腔压力和无杆腔压力。
作为本发明的优选方案,每个控制器的CAN1通讯模块与泵车控制器的CAN通讯并联在一起,泵车控制器输出的运动控制指令按照协议地址传输至各控制器。
作为本发明的优选方案,所述的控制器外壳包括ABS外壳和底板,ABS外壳采用线材3D打印工艺制作,ABS外壳上设有呼吸器,用于保证控制器内外压力平衡;底板采用铝合金材质制作,ABS外壳与铝合金底板之间设有橡胶密封,使控制器外壳整体防护等级达到IP67。
本发明还提供了一种上述的泵车臂架可编程式负载口独立控制器的控制方法,其特征在于,每个控制器控制2套负载口独立阀,每套负载口独立阀独立控制1套臂架油缸,每套负载口独立阀安装有4件比例流量阀,分别控制臂架油缸有杆腔进油、有杆腔出油、无杆腔进油和无杆腔出油;所述控制方法包括如下步骤:
控制器实时对臂架状态进行监测,控制器通过防水插头与负载口独立阀的压力传感器相连,通过信号采集模块实时采集臂架油缸有杆腔压力和无杆腔压力;臂架油缸上安装有CAN通讯拉线位移尺,拉线位移尺与控制器的CAN2通讯模块相连,可实时采集臂架油缸活塞杆位置,经ARM芯片运算,可实时计算出臂架油缸的运动速度;臂架上安装有CAN通讯方式的倾角传感器,倾角传感器与控制器的CAN1通讯模块相连,可实时采集臂架倾角;
控制器通过CAN1通讯模块与泵车控制器相连,实现泵车控制器与控制器间的控制指令传输,当泵车遥控器发送臂架油缸的运动控制指令时,控制器将接收到的运动控制指令传输至ARM芯片;
控制器设定收到的控制指令与臂架油缸速度成线性比例关系,控制器根据控制指令换算出臂架油缸运动速度,并与实时采集的臂架油缸运动速度进行比较,通过自适应PID闭环控制,并经功率放大模块输出控制电流,驱动比例流量阀工作,通过控制臂架油缸进油流量控制臂架油缸运动速度;控制器根据臂架倾角和油缸运动方向选择不同压力控制策略,压力设定值与压力传感器实时采集数据通过比较,经自适应PID闭环控制,通过功率放大模块输出控制电流,驱动比例流量阀工作,实现对臂架油缸的出油腔进行压力闭环控制。
本发明的控制器根据臂架油缸的4种工作状态,即阻抗伸出、阻抗缩回、超越伸出、超越缩回,制定了不同的负载口独立控制策略。每个控制器可控制2套负载口独立阀,每套负载口独立阀可独立控制1套臂架油缸,每套负载口独立阀安装有4件比例流量阀,分别控制臂架油缸有杆腔进油、有杆腔出油、无杆腔进油和无杆腔出油。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果有:
(1)本发明采用控制器实现臂架油缸两腔进出油独立控制,克服了多路阀的单阀芯控制,使臂架油缸运动稳定性更好。
(2)本发明采用自适应PID调节控制方法,通过臂架角度及臂架油缸运动方向确定油缸工作状态,并根据工作状态变化自动调节PID参数,使臂架油缸在工作状态发生变化时能够更好的过渡。
(3)本发明基于数字信号实现控制器与被控放大器原件的指令通讯,并实时采集电磁阀的电流信号,相比于模拟量控制,精度更高,效果更好。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的泵车臂架可编程式负载口独立控制器通讯网络示意图;
图2为根据一示例性实施例示出的控制器结构示意图
图3为根据一示例性实施例示出的控制器工作流程图;
图4为根据一示例性实施例示出的泵车臂架可编程式负载口独立控制器外壳结构示意图;
图中,1-呼吸阀,2-ABS外壳,3-防水插头,4-控制板,5-铝合金底板,6-外壳紧固螺钉,7-橡胶密封,8-控制器固定螺钉。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步描述本发明。
如图1所示,为泵车臂架可编程式负载口独立控制器通讯网络示意图;所述的通讯网络包含两路CAN网络,其中CAN1网络包含六个角度传感器,泵车控制器及三个控制器,控制器通过该网络接收泵车控制指令及采集角度传感器的角度信息。CAN2网络包含六个位移传感器和三个控制器的,控制器通过CAN2网络采集位移传感器的位移数据,三个控制器通过485通讯将调试信息发送至上位机。
如图2所示,本实施例的泵车臂架可编程式负载口独立控制器主要由控制器外壳和控制板组成,控制板包含ARM芯片、仿真器接口、信号采集模块、功率放大模块、CAN1通讯模块、CAN2通讯模块和RS485通讯模块;所述的控制器采用分布式布置方式,每个控制器和2套负载口独立控制阀配合使用,用于控制2套臂架油缸运动;所述的仿真器接口用于烧录固件程序,所述的信号采集模块用于采集2套臂架油缸的有杆腔压力和无杆腔压力。
所述的控制板上设有若干外部接口,包括wifi接口、PC端接口和调试接口;所述的wifi接口用于实现电脑端或手机端与控制器之间的通讯;所述的调试接口与外部的串口调试模块连接,用于烧录和调试控制程序;所述的PC端接口用于实现PC端通讯。
在一个可选的实施例中,所述的信号采集模块采用24位高精度ADC采集芯片,共包括4路模拟电流采集电路,通过控制器外部接口与电流型压力传感器连接,分别用于采集2套臂架油缸的有杆腔压力和无杆腔压力。
在一个可选的实施例中,所述的CAN1通讯模块,用于建立控制器与泵车控制器间的运动控制指令通讯,所有控制器的CAN1通讯模块与泵车控制器的CAN通讯模块连接在同一CAN网络上以实现相互通讯,泵车控制器输出的运动控制指令按照协议地址传输至各控制器,各倾角传感器通过CAN1通讯模块实时将臂架角度传输至控制器;所述的CAN2通讯模块用于采集各臂架油缸活塞杆位置,每个控制器的CAN2通讯模块并联在一起,并将所有臂架油缸位置信息传输至上位机进行监测。
在一个可选的实施例中,所述的ARM芯片根据采集到的运动控制指令、油缸速度、压力、臂架角度信号及臂架油缸工作模式,通过4路自适应PID闭环控制,分别对臂架油缸的两腔压力和两腔进油速度进行独立控制,实现臂架油缸的负载口独立控制。
在一个可选的实施例中,所述的功率放大器,将ARM芯片计算输出的控制信号经功率放大,输出0至590mA的控制电流,用于控制负载口独立阀上的比例流量阀开口大小,功率放大器内置输出电流的PID闭环控制,使输出电流更加稳定准确,最终实现臂架油缸两腔的压力控制和臂架油缸的速度控制。
所述的RS485通讯模块用于控制器与上位机的通讯,实现对臂架油缸工作状态的实时监测及指令传输。
如图4所示,在一个实施例中,所述的控制器外壳包括ABS外壳2和底板5,ABS外壳2采用线材3D打印工艺制作,整体强度高;ABS外壳2上设有呼吸器1,用于保证控制器内外压力平衡;控制器底板采用铝合金材质制作,便于控制板传输热量;ABS外壳2与铝合金底板5之间设有橡胶密封7,并采用外壳紧固螺钉7进行密封紧固,使控制器外壳整体防护等级达到IP67;整个控制器通过控制器固定螺钉8安装在外部结构上。ABS外壳2上设置有防水插头3,防水插头3用于连接负载口独立阀的压力传感器。
如图3所示,所述泵车臂架可编程式负载口独立控制器的控制方法,包括:
控制器实时对臂架状态进行监测,控制器通过防水插头与负载口独立阀的压力传感器相连,通过信号采集模块实时采集臂架油缸有杆腔压力和无杆腔压力;臂架油缸上安装有CAN通讯拉线位移尺,拉线位移尺与控制器的CAN2通讯模块相连,可实时采集臂架油缸活塞杆位置,经ARM芯片的程序运算,可实时计算出臂架油缸的运动速度;臂架上安装有CAN通讯方式的倾角传感器,倾角传感器与控制器的CAN1通讯模块相连,可实时采集臂架倾角。
控制器通过对以上传感器信号的采集与处理,实时计算臂架当前的角度与运动状态,从而确定臂架当前的工作状态,具体包含阻抗伸出,阻抗缩回,超越伸出,超越缩回四种工作状态。
控制器通过CAN1通讯模块与泵车控制器相连,可实现泵车控制器与控制器间的控制指令传输,当泵车遥控器发送臂架油缸的运动控制指令时,控制器将接收到的运动控制指令传输至ARM芯片。
控制器设定收到的控制指令与臂架油缸速度成线性比例关系,控制器根据控制指令换算出臂架油缸运动速度,并与实时采集的臂架油缸运动速度进行比较,通过自适应PID算法控制,并经功率放大模块输出控制电流,驱动比例流量阀工作,通过控制臂架油缸进油流量控制臂架油缸运动速度;控制器根据臂架倾角和油缸运动方向选择不同压力控制策略,压力设定值与压力传感器实时采集数据通过比较,经自适应PID算法控制,通过功率放大模块输出控制电流,驱动比例流量阀工作,实现对臂架油缸的出油腔进行压力闭环控制。
Claims (4)
1.一种泵车臂架可编程式负载口独立控制器的控制方法,其特征在于,所述泵车臂架可编程式负载口独立控制器包括控制器外壳和位于控制器外壳内的控制板,所述的控制板包含ARM芯片、仿真器接口、信号采集模块、功率放大模块、CAN1通讯模块、CAN2通讯模块和RS485通讯模块;每个控制器和2套负载口独立控制阀配合使用,用于控制2套臂架油缸运动;每套负载口独立阀独立控制1套臂架油缸,每套负载口独立阀安装有4件比例流量阀,分别控制臂架油缸有杆腔进油、有杆腔出油、无杆腔进油和无杆腔出油;
所述的仿真器接口用于烧录固件程序,所述的信号采集模块用于采集2套臂架油缸的有杆腔压力和无杆腔压力;
所述的控制板上设有若干外部接口,所述外部接口包括wifi接口、PC端接口和调试接口;所述的wifi接口用于实现电脑端或手机端与控制器之间的通讯;所述的调试接口与外部的CAN调试模块连接,用于控制程序更新和软件调试;所述的PC端接口用于实现PC端通讯;
所述的CAN1通讯模块,用于建立控制器与泵车控制器间的运动控制指令通讯,各臂架上的倾角传感器通过CAN1通讯模块实时将臂架角度传输至各控制器;所述的CAN2通讯模块用于采集各臂架油缸活塞杆位置,每个控制器的CAN2通讯模块并联在一起,并将所有臂架油缸位置信息传输至上位机进行监测;
所述的ARM芯片根据采集到的运动控制指令、油缸速度、压力、臂架角度信号及臂架油缸工作模式,通过4路自适应PID闭环控制,分别对臂架油缸的两腔压力和两腔进油速度进行独立控制,实现臂架油缸的负载口独立控制;
所述的功率放大模块,用于将ARM芯片计算输出的控制信号进行功率放大,输出0至590mA的控制电流,用于控制负载口独立阀上的比例流量阀开口大小,功率放大模块内置输出电流的PID闭环控制,实现臂架油缸两腔的压力控制和臂架油缸的速度控制;
所述的RS485通讯模块用于控制器与上位机的通讯,实现对臂架油缸工作状态的实时监测及指令传输;
所述泵车臂架可编程式负载口独立控制器的控制方法包括如下步骤:
控制器实时对臂架状态进行监测,控制器通过防水插头与负载口独立阀的压力传感器相连,通过信号采集模块实时采集臂架油缸有杆腔压力和无杆腔压力;臂架油缸上安装有CAN通讯拉线位移尺,拉线位移尺与控制器的CAN2通讯模块相连,可实时采集臂架油缸活塞杆位置,经ARM芯片运算,可实时计算出臂架油缸的运动速度;臂架上安装有CAN通讯方式的倾角传感器,倾角传感器与控制器的CAN1通讯模块相连,可实时采集臂架倾角;
控制器通过CAN1通讯模块与泵车控制器相连,实现泵车控制器与控制器间的控制指令传输,当泵车遥控器发送臂架油缸的运动控制指令时,控制器将接收到的运动控制指令传输至ARM芯片;
控制器设定收到的控制指令与臂架油缸速度成线性比例关系,控制器根据控制指令换算出臂架油缸运动速度,并与实时采集的臂架油缸运动速度进行比较,通过自适应PID闭环控制,并经功率放大模块输出控制电流,驱动比例流量阀工作,通过控制臂架油缸进油流量控制臂架油缸运动速度;控制器根据臂架倾角和油缸运动方向选择不同压力控制策略,压力设定值与压力传感器实时采集数据通过比较,经自适应PID闭环控制,通过功率放大模块输出控制电流,驱动比例流量阀工作,实现对臂架油缸的出油腔进行压力闭环控制。
2.根据权利要求1所述的泵车臂架可编程式负载口独立控制器的控制方法,其特征在于,所述的信号采集模块采用24位高精度ADC采集芯片,包括4路模拟电流采集电路,通过控制器外部接口与电流型压力传感器连接,分别用于采集2套臂架油缸的有杆腔压力和无杆腔压力。
3.根据权利要求1所述的泵车臂架可编程式负载口独立控制器的控制方法,其特征在于,每个控制器的CAN1通讯模块与泵车控制器的CAN通讯并联在一起,泵车控制器输出的运动控制指令按照协议地址传输至各控制器。
4.根据权利要求1所述的泵车臂架可编程式负载口独立控制器的控制方法,其特征在于,所述的控制器外壳包括ABS外壳和底板,ABS外壳采用线材3D打印工艺制作,ABS外壳上设有呼吸器,用于保证控制器内外压力平衡;底板采用铝合金材质制作,ABS外壳与铝合金底板之间设有橡胶密封,使控制器外壳整体防护等级达到IP67。
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