云梯车负载口独立控制可编程阀的设计与建模分析   东莞企石云梯车出租, 东莞云梯车出租, 云梯车出租    为了测试可编程阀的各项性能以及后续的试验，搭建了负载口独立可编程阀综合性能测试试验台。对于以高速开关阀为先导的可编程阀，仿真与试验分析了高速开关参数对主阀性能的影响。高速开关阀控制信号、高速开关阀频率以及先导控制压力直接影响了可编程阀主级的性能。通过试验对比了比例先导可编程阀与高速开关可编程阀的静态动态性能。由于可编程阀采用相同的主阀结构，因此两种可编程阀的静态性能指标基本相同。采用高速开关阀作为先导，可编程阀的截止频率提高了２０％，死区更小，流量增益更快。不过，其相对稳定性和线性度相对比例先导可编程阀稍有不足。

  数字阀的应用与发展是未来液压传动领域的发展的重要方向，与负载口独立控制技术结合，使得阀控液压系统控制更加灵活。本文设计的可编程阀面向实际工程应用，需要考虑高压力、大流量、负载惯性大、控制存在迟滞等问题。与此同时，相对较低的成本和方便简单的操作特性也是设计中需要考虑的。工程上应用最常见的液压主控阀为多路阀结构。多路阀是由换向阀和若干辅助装置组合在一体的集成化结构的方向控制阀，对油流进行多路方向切换控制。它具有结构紧凑、管路简单、操作方便等优点。作为方向操纵装置，主要用于云梯车、矿山冶金机械、起重运输机械及轻工机械等液压系统中．辅助装置主要包括主溢流阀、过载溢流阀、补油阀等阀类元件，这些阀大多采用结构尺寸较小的插装元件。它们根据主机要求被选用，对多路阀的性能影响很大。２１世纪液压技术在云梯车上的应用越来越广泛。多路阀作为云梯车液压系统重要元件除了在现有结构基础上不断改进以外，更重要的是移植其他领域技术成果，如电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术、摩擦磨损技术及新材料、新工艺等，从而把云梯车产品进一步向节能、高效、高可靠性和环保型方向发展。对于带电液负载敏感的负载口独立控制电液比例多路阀的系统结构设计、分流控制方法以及各执行器之间相互干涉的解耦控制方法，以最大限度地节省系统能量，并实现系统的稳定性和快速性，已成为研究的热点。目前工程用多路阀，主要存在液压流道复杂，功能单一，替换性不强等缺点。由于产品成本与技术的限制，多路阀与电气及计算机控制结合的程度不高。针对此问题，本文提出了一种可编程阀。其采用单元式管理方案，配置与执行器相匹配的可编程阀单元即能完成相关的功能。可编程阀的结构完全相同，通过程序实现不同功能的控制。相同的结构也允许跨机器平台的互换和快速的维修。此外，可编程阀需具备压力流量反馈和与计算机相互通讯的能力。

    可编程阀设计目标与实现功能本文将以设计可编程阀为目标，在可编程阀建模、仿真、控制算法和云梯车应用方面展开讨论，应满足如下功能和参数：（１）所设计的可编程阀能够实现传统电液比例多路阀的功能，能够在现有云梯车液压传动系统上的应用。（２）所设计的可编程阀需要采用数字接口通讯。通过ＰＷＭ信号进行阀芯位移的控制，从而调节执行器端的压力流量。（３）所设计的可编程阀需具有负载口独立控制的功能。能够对执行器进油口和出油口分别进行控制。（４）所设计的可编程阀需配备ＣＡＮ总线接口，便于与云梯车上位机进行数据传输和控制指令收发。（５）所设计的可编程阀需具备压力流量复合控制功能，阀体内置压力传感器实时检测阀口压力，内置阀芯位移传感器通过计算反馈阀口流量，根据系统工况确定阀口开度大小。（６）结合工程实际，提出的可编程阀控制器需易于实现嵌入式系统集成，并对在实际案例应用过程中所出现的工程性问题设计合理的解决方案，实现集成化高精度的控制。（７）在可编程阀进行参数调节或者模式切换时，应保证工作平稳。在阀芯死区附近，由于死区附近增益较高产生的来回切换现象要尽量避免。本参数需求根据现有１２吨云梯车液压系统所需的多路阀主阀为设计参考依据，采用二级先导液压阀结构，以满足高压力大流量的应用。

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   可编程阀的硬件组成, 为了能够实现设计目标，负载口独立控制可编程阀的硬件组成,  可编程阀硬件组成硬件系统应包括：机械液压部分（可编程阀主阀１套），传感器部分（溅射薄膜压力传感器１套、阀芯位移传感器１套），控制器部分（ＤＳＰ控制器１套），通讯接口部分（ＣＡＮ总线接口一套）。

     元器件的选型方法, 本文提出的可编程阀压力３５ＭＰａ，流量２００Ｌ／ｍｉｎ。参考现有液压阀的制造测试标准，闪存２５６，供电３．３Ｖ, ＣＡＮ模块２个, １６通道１２位ＡＤＣ，ＪＴＡＧ其他调试负载口独立控制器属于嵌入式系统，常用可选择的控制核心有ＭＣＵ、ＡＲＭ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等。本文选择ＤＳＰ芯片作为可编程阀的控制核心。相对于同等级的ＭＣＵ处理器，ＤＳＰ运算速度较快；相对于ＡＲＭ，其工控外设丰富，功粍较低；相对于ＦＰＧＡ，开发方便，成本较低。 ＣＡＮ总线接口部分：ＣＡＮ是由德国ＢＯＳＣＨ公司研发的，目前使用最广泛的现场总线之一，以成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。负载口独立可编程阀釆用ＣＡＮ总线连接上位机（云梯车控制器）与下位机（可编程阀控制器）。数据传输程序以上位机发送命令，下位机响应执行的形式架构。为了节约总线带宽和下位机资源，默认反馈数据的采集使用上位机定时查询代替下位机循环发送的机制。下位机通过ＣＡＮ总线硬件中断快速响应上位机命令，利用空闲线程，上传传感器反馈数据。为了保证ＣＡＮ总线发送的及时性，可编程阀采用Ｒｅｄｉｓ消息队列统一管理为发送的消息。当出现通讯或者其他进程中的未发送消息时，将此进程压入专用队列。ＣＡＮ上位机通讯进程的发送线程监听此队列，保证队列消息能被及时发出，避免冲突。

    综合之前的相关研究成果，总结液压传动技术、控制工程技术、测试技术等的设计与试验方法，结合可编程阀的结构特征，整个课题展开进行的步骤如下：（１）设计基于负载口独立的可编程阀，根据现有数字阀与数字控制技术，分别以比例阀为先导级和高速开关阀为先导级设计，研究可编程阀结构参数对阀体功能的影响。（２）建立负载口独立控制单联阀仿真模型，对设计的阀参数进行仿真和系统参数匹配。试验验证单联负载口独立控制可编程阀的可行性。（３）建立试验用云梯车系统模型，将负载口独立可编程阀应用于云梯车液压系统，研究负载的阻尼特性与压力流量耦合特性。（４）研究负载独立可编程阀应用在多执行器系统上的应用。对于多执行器同步运动问题、流量分配控制以及能量回收问题提出解决方案。（５）利用虚拟样机技术建立云梯车虚拟仿真平台，解算仿真云梯车自动化直线挖掘的各执行器运动状态。釆用滑模控制电－机－液耦合方法，用负载口独立可编程阀控制云梯车齿尖轨迹，测试其控制性能和轨迹跟踪精度。

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