CN209707960U - 一种可编程控制器及工程机械车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可编程控制器及工程机械车辆，涉及工程机械领域。该可编程控制器包括主控模块及多个PWM模块，PWM模块包括驱动电路、采样电路及信号处理电路，主控模块、驱动电路、采样电路及信号处理电路依次电连接，信号处理电路与主控模块电连接，采样电路用于计算驱动电路输出的PWM信号的电流瞬态值，并将电流瞬态值输出至信号处理电路，信号处理电路用于依据电流瞬态值输出反馈信号至主控模块，主控模块用于依据反馈信号调整驱动电路输出的PWM信号的占空比。如此，实现了多路PWM信号的高精度闭环控制，在工程机械车辆控制中，能够有效提高电磁阀的控制精度及运行可靠性。

Description

一种可编程控制器及工程机械车辆

技术领域

本实用新型涉及工程机械领域，具体而言，涉及一种可编程控制器及工程机械车辆。

背景技术

随着工程机械精准化、智能化施工的不断发展，电控已成为未来必然趋势。而当前市面上的工程机械控制器，在进行电磁阀控制时，存在控制精度不高的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可编程控制器及工程机械车辆，能够实现高精度闭环控制。

本实用新型可以这样实现：

第一方面，本实用新型提供了一种可编程控制器，包括主控模块及多个PWM模块，所述PWM模块包括驱动电路、采样电路及信号处理电路，所述主控模块、驱动电路、采样电路及信号处理电路依次电连接，所述信号处理电路与所述主控模块电连接；所述采样电路用于计算所述驱动电路输出的PWM信号的电流瞬态值，并将所述电流瞬态值输出至所述信号处理电路；所述信号处理电路用于依据所述电流瞬态值输出反馈信号至所述主控模块；所述主控模块用于依据所述反馈信号调整所述驱动电路输出的PWM信号的占空比。

可选地，所述采样电路包括采样电阻和电流采样芯片，所述电流采样芯片与所述采样电阻并联，所述采样电阻与所述驱动电路电连接，所述电流采样芯片与所述信号处理电路电连接；所述电流采样芯片用于依据所述采样电阻两端的电压差计算所述PWM信号的电流瞬态值，并将所述电流瞬态值输出至所述信号处理电路。

可选地，所述信号处理电路包括滤波电路和模数转换芯片，所述滤波电路和所述模数转换芯片串联于所述采样电路和所述主控模块之间；所述滤波电路用于将所述电流瞬态值处理为电流有效值，并将所述电流有效值输出至所述模数转换芯片；所述模数转换芯片用于将所述电流有效值进行模数转换，得到所述反馈信号，并将所述反馈信号输出至所述主控模块。

可选地，所述主控模块包括ARM芯片和FPGA芯片，所述ARM芯片与所述FPGA芯片电连接，所述ARM芯片与所述多个PWM模块中的一部分电连接，所述FPGA芯片与所述多个PWM模块中的另一部分电连接；其中，与所述ARM芯片连接的PWM模块用于对电磁阀进行颤振控制。

可选地，所述可编程控制器还包括模拟量接口模块、数字量接口模块及频率接口模块，所述模拟量接口模块、数字量接口模块及频率接口模块均与所述主控模块电连接。

可选地，所述模拟量接口模块包括电压采集电路、电流采集电路、电阻采集电路及电压输出电路，所述电压采集电路、电流采集电路、电阻采集电路及电压输出电路均与所述主控模块电连接。

可选地，所述数字量接口模块包括开关量检测电路及开关量输出电路，所述开关量检测电路及所述开关量输出电路均与所述主控模块电连接。

可选地，所述频率接口模块包括周期采集电路、频率采集电路及编码器采集电路，所述周期采集电路、频率采集电路及编码器采集电路均与所述主控模块电连接。

可选地，所述可编程控制器还包括通信模块和存储模块，所述通信模块与所述存储模块均与所述主控模块电连接。

第二方面，本实用新型还提供了一种工程机械车辆，其包括上述第一方面所述的可编程控制器。

本实用新型提供的可编程控制器的有益效果是：

本实用新型提供的可编程控制器及工程机械车辆中，通过采样电路计算驱动电路输出的PWM信号的电流瞬态值并输出至信号处理电路，信号处理电路依据该电流瞬态值输出反馈信号到主控模块，主控模块则依据该反馈信号控制驱动电路调整PWM信号的占空比，实现了多路PWM信号的高精度闭环控制。因此，在工程机械车辆的电控场景下，利用本实用新型提供的可编程控制器来控制电磁阀工作，能够有效提高电磁阀的控制精度及运行可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的可编程控制器的一种结构框图。

图2为图1中PWM模块与主控模块的具体连接示意图。

图3为本实用新型实施例提供的可编程控制器的另一种结构框图。

图4为本实用新型实施例提供的可编程控制器的又一种结构框图。

图标：100-可编程控制器；110-主控模块；120-PWM模块；130-模拟量接口模块；140-数字量接口模块；150-频率接口模块；160-通信模块；170-存储模块；180-电源模块；111-ARM芯片；112-FPGA芯片；121-驱动电路；122-采样电路；123-信号处理电路；1221-采样电阻；1222-电流采样芯片；1231-滤波电路；1232-模数转换芯片。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1，本实施例提供了一种可编程控制器100，该可编程控制器100可以应用于推土机、起重机、挖掘机等工程机械车辆中。本实施例提供的可编程控制器100包括主控模块110和多个PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)模块120，主控模块110与该多个PWM模块120电连接。

该主控模块110包括ARM芯片111和FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片112，ARM芯片111和FPGA芯片112电连接。ARM芯片111主要负责程序算法运行、采集信号处理、控制指令输出、数据通信及存储控制，FPGA芯片112主要提供I/O端口扩展功能，与ARM芯片111通过总线实时通信，传递控制指令及采集数据。

在本实施例中，ARM芯片111与多个PWM模块120中的一部分电连接，FPGA芯片112与多个PWM模块120中的另一部分电连接；其中，与ARM芯片111连接的PWM模块120用于对电磁阀进行颤振控制。

例如，本实施例中的ARM芯片111可以直接控制6路PWM模块120，FPGA芯片112可以控制19路PWM模块120，从而实现了25路PWM信号独立驱动。

可见，本实施例的可编程控制器100中，通过采用ARM+FPGA的主从架构，不仅节省了ARM芯片111内定时器和DMA资源，还实现了多路PWM信号独立驱动，集成了多路电磁阀颤振控制功能。

可选地，如图2所示，该PWM模块120包括驱动电路121、采样电路122及信号处理电路123，主控模块110、驱动电路121、采样电路122及信号处理电路123依次电连接，信号处理电路123与主控模块110电连接，即主控模块110、驱动电路121、采样电路122及信号处理电路123共同形成一个电路闭环。

该采样电路122用于计算驱动电路121输出的PWM信号的电流瞬态值，并将电流瞬态值输出至信号处理电路123。

在本实施例中，该采样电路122包括采样电阻1221和电流采样芯片1222，电流采样芯片1222与采样电阻1221并联，采样电阻1221与驱动电路121电连接，电流采样芯片1222与信号处理电路123电连接。

其中，该电流采样芯片1222用于依据采样电阻1221两端的电压差计算PWM信号的电流瞬态值，并将电流瞬态值输出至信号处理电路123。

在本实施例中，该采样电阻1221可以采用高精度合金电阻，能够在高温环境下保证精度，减少发热，电流采样芯片1222通过测量采样电阻1221两端的电压差，进而根据该电压差计算得到PWM信号的电流瞬态值。

该信号处理电路123用于依据电流瞬态值输出反馈信号至主控模块110。

在本实施例中，该信号处理电路123包括滤波电路1231和模数转换芯片1232，滤波电路1231和模数转换芯片1232串联于采样电路122和主控模块110之间。

其中，该滤波电路1231用于将电流瞬态值处理为电流有效值，并将电流有效值输出至模数转换芯片1232，该模数转换芯片1232用于将电流有效值进行模数转换，得到反馈信号，并将反馈信号输出至主控模块110。

在本实施例中，该模数转换芯片1232可以采用12位ADC芯片，该滤波电路1231在接收到电流采样芯片1222输出的电流瞬态值后，需将该电流瞬态值进行二阶滤波处理，得到电流有效值，该电流有效值经由ADC芯片进行模数转换，得到对应的反馈信号输出到主控模块110中。

该主控模块110用于依据反馈信号调整驱动电路121输出的PWM信号的占空比。

在本实施例中,该驱动电路121可以使用高频电源开关芯片进行高边控制。该主控模块110接收到反馈信号后,通过向驱动电路121输出控制信号来调整PWM信号的占空比,使得驱动电路121输出的PWM信号的电流值与目标值基本一致，在2A的量程范围下，最大误差不超过10mA，从而在控制电磁阀工作时，可以实现电磁阀电流的高精度实时闭环控制。

需要说明的是，由于图2示出的仅是一个PWM模块120与主控模块110的连接示意图，故图2中驱动电路121接收的控制信号既可以由ARM芯片111给出，也可以由FPGA芯片112给出。也即是说，与ARM芯片111连接的PWM模块120中，控制信号由ARM芯片111输出到驱动电路121，反馈信号则由模数转换芯片1232输出到ARM芯片111；与FPGA芯片112连接的PWM模块120中，控制信号由FPGA芯片112输出到驱动电路121，反馈信号则由模数转换芯片1232输出到FPGA芯片112。

此外，为了解决电磁阀感性负载工作时存在反向高压冲击的问题，可以在PWM模块120的PWN信号输出端增加反向二极管(图2中未示出)。

可选地，如图3所示，该可编程控制器100还包括模拟量接口模块130、数字量接口模块140及频率接口模块150，模拟量接口模块130、数字量接口模块140及频率接口模块150均与主控模块110电连接。

其中，该模拟量接口模块130、数字量接口模块140及频率接口模块150可以与主控模块110中的ARM芯片111电连接，也可以与主控模块110中的FPGA芯片112电连接，本实施例对此不做限制。

该模拟量接口模块130包括电压采集电路AI_V、电流采集电路AI_I、电阻采集电路AI_R及电压输出电路AO_V，电压采集电路AI_V、电流采集电路AI_I、电阻采集电路AI_R及电压输出电路AO_V均与主控模块110电连接。

其中，电压采集电路AI_V与电流采集电路AI_I可以复用，电阻采集电路AI_R与电压输出电路AO_V可以复用。通过该模拟量接口模块130可以实现外部多种模拟量信号的采集与数据转换功能。

该数字量接口模块140包括开关量检测电路(包括高电平检测电路DI_H和低电平检测电路DI_L)及开关量输出电路DO，开关量检测电路及开关量输出电路DO均与主控模块110电连接。

其中，高电平检测电路DI_H和低电平检测电路DI_L可以复用。例如，本实施例中可以使用分压方式和三极管作为电子开关，实现高、低电平的检测功能；该开关量输出电路DO可以使用开关电源芯片，实现高边控制。

该频率接口模块150包括周期采集电路、频率采集电路及编码器采集电路，周期采集电路、频率采集电路及编码器采集电路均与主控模块110电连接。

在本实施例中，该周期采集电路及频率采集电路可以使用比较器芯片作为电子开关，通过与基准电源比较，识别脉冲信号上升沿与下降沿，实现对频率和周期的检测。当外部为一对正交信号时，可通过编码器采集电路检测编码信号的计数值与方向，进而实现角度与位移控制。

在本实施例中，通过上述的模拟量接口模块130、数字量接口模块140及频率接口模块150，可以实现超过60路的模拟量、数字量及频率I/O接口，足以满足工程机械车身电控需求，应用程序开发量减少，可靠性提高。

可选地，如图4所示，该可编程控制器100还包括通信模块160和存储模块170，通信模块160与存储模块170均与主控模块110中的ARM芯片111电连接。

其中，该通信模块160可以包括2路CAN接口电路、1路RS232接口电路以及烧录接口电路。该可编程控制器100通过RS232接口电路可与上位机连接，实现在线调试、程序下载等功能；该可编程控制器100通过CAN接口电路可实现与车身其他外围设备通信，例如传感器、ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)等。

该存储模块170可以包括外扩SDRAM芯片、FLASH芯片，SDRAM芯片、FLASH芯片通过同一并行总线与ARM芯片111相连，SDRAM芯片可以使数据快速存入或读出，FLASH芯片可以保证数据掉电保存，最大支持4Gb数据存储。通过该存储模块170可对车身历史工况、运行数据等进行存储。

可选地，该可编程控制器100还包括电源模块180，该电源模块180与可编程控制器100中的其他模块均电连接，用于给其他模块提供可靠稳定的电源。

在本实施例中，该电源模块180设计兼容12V与24V车身电气系统，包括过欠压保护电路、防反接电路、各级电源转换电路、电源管理电路等，可以克服抛负载、浪涌等车身电气问题，并通过使用DC-DC、LDO等电源芯片为其他模块提供稳定的16V、5V、4.5V、3.3V、1.8V、1.2V等电压。

综上所述，本实用新型提供的可编程控制器及工程机械车辆中，该可编程控制器包括主控模块及多个PWM模块，PWM模块包括驱动电路、采样电路及信号处理电路，主控模块、驱动电路、采样电路及信号处理电路依次电连接，信号处理电路与主控模块电连接，采样电路用于计算驱动电路输出的PWM信号的电流瞬态值，并将电流瞬态值输出至信号处理电路，信号处理电路用于依据电流瞬态值输出反馈信号至主控模块，主控模块用于依据反馈信号调整驱动电路输出的PWM信号的占空比。如此，实现了多路PWM信号的高精度闭环控制，在工程机械车辆的电控场景下，利用本实用新型提供的可编程控制器来控制电磁阀工作，有效提高了电磁阀的控制精度及运行可靠性。此外，该可编程控制器通过使用ARM+FPGA的主从架构，节省了ARM芯片内定时器和DMA资源，实现了低成本下具有25路PWM驱动输出，并集成了6路PWM颤振控制功能以及多路模拟量、数字量及频率I/O接口。因此，本实用新型提供的可编程控制器及使用该可编程控制器的工程机械车辆具有低成本、高可靠性、高精度控制及使用方便的优点。

需要说明的是，本实用新型的改进点在于结构，而不在于计算机程序，不属于对方法本身的改进，本申请中涉及到方法或信息的交互均可以通过现有方法实现，或者，可以通过集成有实现该方法的功能电路的硬件实现。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可编程控制器，其特征在于，包括主控模块及多个PWM模块，所述PWM模块包括驱动电路、采样电路及信号处理电路，所述主控模块、驱动电路、采样电路及信号处理电路依次电连接，所述信号处理电路与所述主控模块电连接；

所述采样电路用于计算所述驱动电路输出的PWM信号的电流瞬态值，并将所述电流瞬态值输出至所述信号处理电路；

所述信号处理电路用于依据所述电流瞬态值输出反馈信号至所述主控模块；

所述主控模块用于依据所述反馈信号调整所述驱动电路输出的PWM信号的占空比。

2.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述采样电路包括采样电阻和电流采样芯片，所述电流采样芯片与所述采样电阻并联，所述采样电阻与所述驱动电路电连接，所述电流采样芯片与所述信号处理电路电连接；

所述电流采样芯片用于依据所述采样电阻两端的电压差计算所述PWM信号的电流瞬态值，并将所述电流瞬态值输出至所述信号处理电路。

3.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述信号处理电路包括滤波电路和模数转换芯片，所述滤波电路和所述模数转换芯片串联于所述采样电路和所述主控模块之间；

所述滤波电路用于将所述电流瞬态值处理为电流有效值，并将所述电流有效值输出至所述模数转换芯片；

所述模数转换芯片用于将所述电流有效值进行模数转换，得到所述反馈信号，并将所述反馈信号输出至所述主控模块。

4.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述主控模块包括ARM芯片和FPGA芯片，所述ARM芯片与所述FPGA芯片电连接，所述ARM芯片与所述多个PWM模块中的一部分电连接，所述FPGA芯片与所述多个PWM模块中的另一部分电连接；其中，与所述ARM芯片连接的PWM模块用于对电磁阀进行颤振控制。

5.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述可编程控制器还包括模拟量接口模块、数字量接口模块及频率接口模块，所述模拟量接口模块、数字量接口模块及频率接口模块均与所述主控模块电连接。

6.根据权利要求5所述的可编程控制器，其特征在于，所述模拟量接口模块包括电压采集电路、电流采集电路、电阻采集电路及电压输出电路，所述电压采集电路、电流采集电路、电阻采集电路及电压输出电路均与所述主控模块电连接。

7.根据权利要求5所述的可编程控制器，其特征在于，所述数字量接口模块包括开关量检测电路及开关量输出电路，所述开关量检测电路及所述开关量输出电路均与所述主控模块电连接。

8.根据权利要求5所述的可编程控制器，其特征在于，所述频率接口模块包括周期采集电路、频率采集电路及编码器采集电路，所述周期采集电路、频率采集电路及编码器采集电路均与所述主控模块电连接。

9.根据权利要求1所述的可编程控制器，其特征在于，所述可编程控制器还包括通信模块和存储模块，所述通信模块与所述存储模块均与所述主控模块电连接。

10.一种工程机械车辆，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的可编程控制器。