基于單片機的液壓換向閥智能控制器設(shè)計

韓 濤，聶小華，段世慧

（中國飛機強度研究所，陜西?西安?710065）

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化、自動化的設(shè)計理念在結(jié)構(gòu)強度試驗中的應(yīng)用日益增長。陳超[1]等采用單片機與傳感器結(jié)合控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的方法，設(shè)計一種以單片機為核心的智能控制云臺。向東[2]等設(shè)計了基于單片機的氣動位置控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電磁閥來控制氣缸，節(jié)約了控制系統(tǒng)成本。韓慶瑤[3]等設(shè)計了一種以單片機為核心的多舵機控制系統(tǒng)，利用單片機內(nèi)部定時器，采用分時控制思想，用單片機實現(xiàn)多路PWM輸出控制舵機。吳勝[4]對基于單片機的高速液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析介紹，指出高速液壓控制系統(tǒng)具有精度高、設(shè)計簡單等優(yōu)勢。施玉艷[5]等設(shè)計了一種新型的主要由單片機和傳感器、計算機構(gòu)成的電液比例位置控制系統(tǒng)。從以上研究成果可以看出，單片機作為控制核心可以實現(xiàn)系統(tǒng)的高品質(zhì)控制效果[6]，本文采用單片機作為液壓換向閥的智能處理核心。工程中常規(guī)試驗一般采用通用液壓設(shè)備，包括油泵液壓源、液壓管道、服務(wù)歧管、油路分配器、液壓缸等裝置，工程師依據(jù)經(jīng)驗對以上系統(tǒng)進(jìn)行有效的設(shè)計和封裝，保證了液壓系統(tǒng)的可靠性和安全性。當(dāng)面臨新的加載問題時，傳統(tǒng)液壓設(shè)備難以滿足現(xiàn)場要求，這就需要對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，掛飛投放系統(tǒng)試驗[7]、折疊翼試驗[8]是較為典型的通過先進(jìn)控制技術(shù)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)加載的工程問題，在工程實踐中采用的解決辦法并沒有考慮技術(shù)的通用性，只針對實際問題進(jìn)行了探索和應(yīng)用。針對以上問題的共性，提出了液壓換向閥控制的需求，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于單片機的液壓換向閥控制器，并對該控制器進(jìn)行了智能化設(shè)計。

1??液壓換向閥

1.1??工作原理

典型液壓換向閥控制試驗要求地面液壓源作為執(zhí)行元件對機構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動操作，采用自動控制來改變液壓缸液壓油進(jìn)油和出油的方向，進(jìn)而實現(xiàn)對控制對象的控制。如圖1所示，其工作原理是24V對截止閥開關(guān)、液控單向閥上電，使油液進(jìn)入二位四通電磁換向閥中，再通過三位四通電磁換向閥的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)控制對象在起始位置、中間位置、終止位置的起、轉(zhuǎn)、停的切換，實現(xiàn)對特殊結(jié)構(gòu)強度試驗的加載。

圖1 液壓換向閥控制原理

1.2??控制目標(biāo)

針對以上液壓換向閥工作原理，可以看出，其控制效果包括3個狀態(tài)，包括起始位置、中間位置和終止位置，控制步驟如下。

步驟1：起始位置開始動作時，控制器開始工作；

步驟2：當(dāng)機構(gòu)運行至終止位置，使終止點行程開關(guān)接通，開關(guān)信號檢測電路相應(yīng)通道將會檢測到低電平信號，輸入單片機處理器；

步驟3：通過程序處理后，單片機將向電磁換向閥繼電器驅(qū)動電路送出驅(qū)動信號；

步驟4：在以上信號的驅(qū)動下，繼電器導(dǎo)通并保持，從而接通三位四通電磁換向閥24V電壓，使液壓缸反向動作；

步驟5：當(dāng)機構(gòu)運行返回起始位置，使起始點行程開關(guān)接通，開關(guān)信號檢測電路相應(yīng)通道將會檢測到低電平信號，輸入單片機處理器；

步驟6：在以上信號的驅(qū)動下，液壓缸重復(fù)以上動作；

步驟7：在液壓缸收起或伸展的過程中，單片機同時會記錄下所用時間和動作次數(shù)，通過顯示電路實時顯示。

2??硬件設(shè)計

2.1??控制電路

控制電路選用單片機最小工作系統(tǒng)即可滿足位置信號檢測、計數(shù)器計數(shù)和驅(qū)動信號輸出功能，如圖2所示。

圖2 控制電路

2.2??檢測電路

檢測電路包含3個位置的檢測，其中起始位置和終止位置分別由限位開關(guān)接入電路，中間位置設(shè)置急停按鈕，適用于試驗故障時的應(yīng)急，如圖3所示。

圖3 檢測電路

2.3??驅(qū)動電路

驅(qū)動電路是當(dāng)檢測電路檢測到起始和終止位置時，輸出驅(qū)動信號控制液壓換向閥工作，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路

2.4??通信電路

通信電路采用串口將電腦程序下載至單片機，如圖5所示，選用芯片MAX232將電腦串口的RS232電平轉(zhuǎn)換為單片機串口的TTL電平。

3??程序設(shè)計

對以上硬件運行流程進(jìn)行分析，建立了系統(tǒng)主程序流程圖，如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)上電時，系統(tǒng)初始化，進(jìn)行狀態(tài)顯示，包括當(dāng)前試驗次數(shù)和時間，將信息記錄并顯示在屏幕上，然后進(jìn)行檢測控制。當(dāng)檢測到起始位置時，輸出驅(qū)動信號使液壓缸執(zhí)行運行，運行至終止位置時，檢測后使液壓換向閥反向工作，輸出驅(qū)動信號使液壓缸向起始位置返回。每次執(zhí)行開始后，系統(tǒng)對故障和應(yīng)急進(jìn)行實時檢測。若出現(xiàn)故障，系統(tǒng)輸出信號切斷驅(qū)動電路，并輸出信號使液壓換向閥處于截止?fàn)顟B(tài)，此時液壓缸保載在任意中間位置；若沒有故障，主程序結(jié)束當(dāng)前循環(huán)，進(jìn)入下一循環(huán)。

圖5 通信電路

圖6 主程序流程圖

4??結(jié)論

針對工程需求開發(fā)了新型液壓換向閥智能控制器，提出了工程通用控制方法，保證了試驗實施的可靠性。通過自動測量系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的有效結(jié)合，以單片機為處理器核心實現(xiàn)了液壓換向閥控制器的智能化、集成化設(shè)計。其自動化測試流程以及智能化控制能力大大提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率，減小了人為因素帶來的不確定性。該系統(tǒng)設(shè)計完成后進(jìn)行了試驗驗證，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具備了較好的通用性，可支持同類試驗控制的搭載和使用，提高設(shè)備研制效率，在工程中提供了一定的技術(shù)儲備。