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1、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
2、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
3、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。
4、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、r
5、s232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
6、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。 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模拟信号处理部分
7、 模拟信号经本电路处理后,送入单片机的a/d转换器和数字输入端。为提高单片机系统端口的使用效率,本系统采用模拟开关(cd4053b)对比例方向阀反馈信号和单片机pwm输出信号进行切换,以减少a/d转换器输入端口和pwm输出端口的开销。其主要组成框图如图4所示。 3．4pwm功率放大器 pwm功率放大器是驱动电液比例方向阀的重要部件,为保障其可靠工作,又具备完善的保护措施,在设计中采用一种专用的pwm功率放大模块bts707。该模块不仅具有两路pwm输出来驱动两个三位四通比例换向阀,而且具有完善的保护功能和
8、断路检测功能,可以及时发现电磁阀线圈故障,以便及时采取紧急处理措施。取样电阻引回的反馈信号用于构成串联负反馈回路,以稳定通过电磁阀线圈的电流,避免线圈温度变化造成的驱动电流波动。 3．5can总线接口 目前集成有can总线接口的单片机很多,一般均集成有1～4个can控制器,但这些芯片成本太高,本系统采用独立的can控制器sja1000并配合pca82c250实现can2.0接口功能,其电路原理图
