1 引言
由于电控油门与其他油门(有机械式、机械液压式、机械气动式等)相比具有发动机速度反馈、自动调节供油量、运行平稳、效率高、结构紧凑、操作方便等优点,在现代工程机械中的应用越来越普遍[1-2]。挖掘机油门控制也不例外。
文章基于TTControl公司的TTC 60控制器设计了挖掘机油门控制系统,系统的软硬件设计过程比较简便。
2 总体设计
系统框图如图1所示。由于发动机油门拉杆位置的变化是由执行机构位移变化引起的,因此,发动机油门拉杆位置的变化实际上就是执行机构位移的变化。系统控制发动机油门位置完全可以通过控制执行机构移动位移来实现。这是系统设计的基本思路。
在图1中,控制器根据位移传感器检测的执行机构位移反馈信号和外部控制信号,输出驱动信号驱动执行机构动作,执行机构拉动油门拉杆,油门拉杆位置发生变化,进而引起发动机转速的变化,这样就完成对发动机油门位置的控制。速度传感器用来监测当前发动机转速。
3 硬件设计
系统硬件原理图如图2所示。系统主要包括控制器TTC60、直线电机、油门旋钮(最大阻值6.85KΩ)、继电器(24V/10A)、转速传感器、24V直流开关电源等器件。
在图2中,用户根据挖掘机负载大小通过油门旋钮设定直线电机位移的目标值。直线电机作为执行机构,拉动油门拉杆移动,同时带有位移传感器检测直线电机移动位移。控制器控制继电器KM1、KM2的通断状态来切换直线电机P4(绿)端口、P5(黄)端口与控制信号PWM输出及GND(地)的连接状态,从而实现直线电机转动方向的改变。控制器通过改变PWM输出信号占空比来控制直线电机转动速度。
3.1 控制器
高速控制器TTC60是适应于汽车工业的一款多用途控制器,具有高可靠性。CPU是英飞凌公司XC2287处理器,主频80MHZ。TTC60控制器IO接口资源丰富。具有8路模拟量(4-20mA或0-5V或0-100KΩ)输入、8路电压范围可变(最大0-32V)输入、4路脉冲(10HZ-10KHZ)输入、8路PWM(2A)输出,4路PWM输出电流测量输入、8路开关量输入、8路开关量输出(4A)、1路RS232、2路CAN 2.0B、1路LIN等。控制器支持CoDeSys 2.3软件编程,CAN接口下载程序。
3.2 直线电机
直线电机选择型号为KECM-1524发动机自动油门马达,应用范围主要包括挖掘机、发电机组、重型卡车、公用汽车、船舶、农用机械等场合。主要技术指标如下:额定电压:24VDC;工作电流:3A max;工作温度:-25℃- +85℃;工作负荷:123N;最大行程:38±3mm;拉线长度:1.5m。工作原理如图3所示。
在图3中,端口P1(GRAY)和端口P3(BLUE)分别接到5V直流电源的正负极。端口P2(PINK)反馈的电压值与电机移动位移一一对应,呈反向线性关系,即Up越大,电机位移越小;Up越小,电机位移越大。当端口P4(GREEN)接入控制电压,端口P5(YELLOW)接地时,则电机拉动油门拉杆收缩;当端口P5(YELLOW)接入控制电压,P4(GREEN)接地时,则电机拉动油门拉杆延伸。
4 软件设计
软件是基于CoDeSys(Controlled Development System)软件编程的。CoDeSys是可编程逻辑控制器PLC的完整开发环境。在PLC编程时,CoDeSys支持IEC语言编程,编程简便。
4.1 主程序
主程序流程图如图4所示。图4中,根据直线电机位移反馈实际值和油门旋钮设定的电机位移目标值,计算它们的差值。考虑位移控制的快速性,设置控制死区[emin, emax](emax>0, emin<0)。即当差值大于emax时,则数字量输出低电平(DO=0),直线电机端口P5与PWM输出信号连接,端口P4与地连接,电机延伸;如果差值小于emin时,则数字量输出高电平(DO=1),直线电机端口P5与地连接,端口P4与PWM输出信号连接,电机收缩。当差值在范围[emin, emax]之间时,程序直接返回,不进行任何控制。
然后以差值作为输入,利用PID增量式控制算法输出PWM驱动信号驱动直线电机转动,进而带动油门拉杆线性移动。
4.2 增量式PID算法
在计算机PID控制中,使用数字PID控制算法。数字PID算法有位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于位置式PID采用的全量输出,每次的输出均与过去的状态有关,计算时对偏差e进行累加,计算机输出控制量u对应的是执行机构的实际位置偏差,如果位置传感器出现故障,u可能出现大幅度变化[3]。u的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化,这种情况在实际应用中是不允许的。为了避免这种情况的发生,采用增量式PID控制算法。
增量式PID控制算式为:
式中e(n),e(n-1),e(n-2)分别是第n次,n-1次,n-2次采样的偏差值;
称为比例增益;
称为积分系数;
称为微分系数。
增量式PID控制算法代码部分如下:
KI:=KP*(T/TI);(*积分系数*)
KD:=KP*(TD/T);(*微分系数*)
U:=KP*(en-en1)+KI*en+KD*(en-2*en1+en2);(*增量式PID控制量输出*)
Un:=U0+U;
IF Un>=Unmax THEN (*控制量输出范围限制*)
Un:=Unmax;
END_IF
IF Un<=Unmin THEN
Un:=Unmin;
END_IF
PWM0_duty:=Un;(*控制量作为PWM占空比输出*)
U0:=Un; (*下一次循环*)
en2:=en1;
en1:=en;
5 设计验证
操作油门旋钮将直线电机位移目标值设定为10档,大小分别为3.8mm、7.6mm、11.4mm、15.2mm、19mm、22.8mm、26.6mm、30.4mm、34.2mm、38mm。经过系统调试,得到直线电机位移反馈实际值分别对应为4.26mm、7.9mm、11.55mm、14.77mm、18.97mm、22.99mm、27.02mm、30.84mm、34.4mm、38.58mm。整理成表格如表1所示。
从表1中可以看出,直线电机位移控制最大误差(实际值与目标值的差)有0.58mm,最小误差有0.03mm,误差并不大。同时档位之间切换时间较快,最长时间不超过2s。总体来说,直线电机位移控制误差较小,控制快速而且准确。
6 结束语
系统充分利用TTC60控制器、直线电机KECM-1524的丰富资源,简化了系统结构。同时,采用PID控制算法实现了直线电机位移即发动机油门位置的精确控制。系统软硬件设计简便,具有较大的实际使用价值。
参考文献:
[1] 吴永成,张忠海.电控油门在工程机械中的应用[J].建筑机械化,2004,(4):69-70.
[2] 闫凤祥,李广军.浅谈发动机电控油门技术的应用[J].建筑机械化,2009,(6):75-77.
[3] 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.
作者简介:刘荣华(1983-),男,工程师,硕士,主要从事工程机械控制系统设计及研究工作。