基于CAN總線的數(shù)字液壓伺服控制器的設(shè)計(jì)

摘 要：針對鐵路隧道施工中襯砌的作業(yè)需求，采用多個(gè)基于CAN總線結(jié)構(gòu)的數(shù)字液壓伺服控制單元，設(shè)計(jì)了一種可以搭載不同作業(yè)工具的電液伺服機(jī)器人。其中數(shù)字伺服控制單元基于FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過CAN總線與主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用改進(jìn)型分段無超調(diào)PID控制方法，實(shí)現(xiàn)了液壓馬達(dá)位置的精確控制，保證了該液壓伺服控制系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。通過負(fù)載試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有位置控制精度高、速度響應(yīng)快的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CAN總線；數(shù)字液壓伺服；PID；位置控制

中圖分類號：TP231" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）09-0043-03

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年底，我國鐵路運(yùn)營總里程14.5萬km，投入運(yùn)營鐵路隧道16 798座，另有在建鐵路隧道2 746座，總里程約6 083 km，規(guī)劃鐵路隧道共6 345座，總里程約16 255 km[1]。

隨著技術(shù)發(fā)展，隧道建設(shè)現(xiàn)場的“少人化、無人化、智能化”成為必然要求。例如，鄭萬高鐵大面積采用各型智能化裝備，進(jìn)行了高鐵鐵路建設(shè)的智能化試點(diǎn)，各型智能化施工臺車、工法得到了廣泛應(yīng)用[2]。有效減少勞動(dòng)力投入，提升隧道作業(yè)裝備的智能化水平成為了當(dāng)前鐵路建設(shè)的研究重點(diǎn)。

高鐵隧道襯砌施工過程中，由于不同模板結(jié)合處需要預(yù)留施工縫、變形縫，該位置的混凝土襯砌存在松散、易開裂、易掉塊等問題，嚴(yán)重影響高鐵行車安全[3-4]。在2019年完成了“既有線隧道病害整治智能切槽機(jī)器人系統(tǒng)”的研制工作[5]，通過一段時(shí)間的使用反饋，并結(jié)合隧道施工現(xiàn)場的作業(yè)條件、實(shí)際工況，擬開發(fā)一種采用電液伺服控制的特種機(jī)器人進(jìn)行隧道襯砌的后期處理，以提高隧道襯砌施工設(shè)備的智能化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 電液伺服機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

為保證該電液伺服機(jī)器人在隧道作業(yè)中的機(jī)動(dòng)性和靈活性，將該裝備搭載在一個(gè)可移動(dòng)的電動(dòng)臺車上。

整個(gè)系統(tǒng)包含以下4個(gè)部分：①5軸數(shù)字液壓伺服控制系統(tǒng)。每個(gè)控制單元由獨(dú)立的液壓伺服控制器進(jìn)行控制，每個(gè)控制器與主控系統(tǒng)之間采用高速CAN（Cont roller Area Network）總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞。各軸通過接收主控系統(tǒng)發(fā)送的位置和速度信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成機(jī)器人在隧道拱頂和邊墻的運(yùn)動(dòng)軌跡合成，滿足該設(shè)備不同作業(yè)要求下的路徑運(yùn)動(dòng)。②主控制器。其采用工控PC搭載著運(yùn)行控制軟件、隧道掃描建模軟件、運(yùn)行軌跡生成軟件、各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)解析軟件、系統(tǒng)安全監(jiān)控軟件。③機(jī)器人作業(yè)工具系統(tǒng)。系統(tǒng)可以配置三維掃描建模工具、隧道二襯結(jié)合縫切邊工具、隧道排水槽開槽工具、隧道維護(hù)鑿毛工具、隧道維護(hù)鎖緊錨桿鉆鑿工具、隧道維護(hù)鋼筋網(wǎng)片掛接及噴漿工具等多種作業(yè)工具，可滿足不同作業(yè)需求。④可移動(dòng)電動(dòng)臺車。根據(jù)施工現(xiàn)場工狀，分別配置輪式電動(dòng)臺車和拖掛式軌道平板車。

1.2 數(shù)字液壓伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電液伺服機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸采用分布式控制模式。在運(yùn)行過程中，由主控制器實(shí)時(shí)分發(fā)各軸的運(yùn)行速度V和角度θ信息，各軸數(shù)字液壓伺服控制單元接收到控制信息后，由其獨(dú)立完成相應(yīng)軸的速度和角度控制，其單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

伺服控制單元采用具備CAN總線接口的國產(chǎn)32位高性能嵌入式芯片STC32G進(jìn)行設(shè)計(jì)。該芯片具備兩路高速CAN總線接口，內(nèi)置高速A/D和PWM模塊，內(nèi)部主頻可達(dá)48 MHz，采用1時(shí)鐘控制模式，可以移植運(yùn)行FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，滿足分布式控制的實(shí)時(shí)性要求。

1.3 數(shù)字液壓伺服控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)

在圖1所示的控制結(jié)構(gòu)圖中，伺服放大器、伺服閥、液壓馬達(dá)及液壓臂負(fù)載構(gòu)成了數(shù)字液壓伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)力單元[6-7]，為簡化控制邏輯，忽略了液壓伺服閥的動(dòng)態(tài)特性，簡化為比例環(huán)節(jié)因子KSV，采用PID反饋控制，其角度控制傳遞函數(shù)框圖如圖2所示。

通過分析圖2的控制關(guān)系，可以推導(dǎo)出該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如式（1）所示。

2 數(shù)字液壓伺服控制器設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 CAN總線設(shè)計(jì)

使用STC32G芯片的P5.3和P5.2作為CAN總線的輸入/輸出接口，選用CTM1051AMG實(shí)現(xiàn)CAN總線的隔離驅(qū)動(dòng)。此模式下，可以連接最多32個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)，通信速度可達(dá)5 Mbps，支持標(biāo)準(zhǔn)的CANopen協(xié)議棧。同時(shí)該通信接口溫度范圍達(dá)到-40～105℃，完全滿足本設(shè)備的工作環(huán)境要求。CAN總線接口電路圖如圖3所示。

2.1.2 液壓伺服輸出控制信號電路設(shè)計(jì)

STC32G沒有專門的D/A轉(zhuǎn)換器，但可以采用其高精度PWM控制器輸出信號進(jìn)行RC濾波后使用。由于PWM信號濾波后，輸出范圍為0～5 V，而伺服控制器的輸入信號范圍為±10 V。在放大器的反向端減去2.5 V，經(jīng)過4倍的放大后則可以滿足液壓伺服控制器的要求，其電路如圖4所示。

2.1.3 輸入通道控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC32G內(nèi)部的16位A/D轉(zhuǎn)換器來處理液壓缸角度傳感器反饋的實(shí)時(shí)角度信息。液壓缸位置傳感器采用0～20 mA差分電流信號輸出模式，經(jīng)差分電路后利用芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)處理當(dāng)前的位置信息，其電路如圖5所示。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 控制軟件組成

系統(tǒng)控制軟件主要包含系統(tǒng)初始化程序模塊，F(xiàn)reeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)初始化、任務(wù)創(chuàng)建/實(shí)時(shí)調(diào)度管理模塊，CANopen通信數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊、數(shù)字伺服液壓馬達(dá)位置控制模塊等組成。

為保證CAN總線數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性，提升控制系統(tǒng)控制精度，在STC32G芯片上移植運(yùn)行FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證采用CANopen協(xié)議時(shí)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1 ms。主要控制軟件模塊如圖6所示。

2.2.2 FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植

為提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能，保證總線式液壓伺服控制器的快速響應(yīng)，在STC32G芯片上移植了FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)免費(fèi)且開源，移植過程中主要注意以下問題：①選擇芯片的定時(shí)器用于系統(tǒng)的調(diào)度時(shí)鐘；②各項(xiàng)任務(wù)調(diào)度及地址設(shè)定；③CANopen協(xié)議棧。

2.2.3 數(shù)字伺服液壓馬達(dá)位置控制軟件

基于圖2所描述的系統(tǒng)框圖，采用改進(jìn)型分段無超調(diào)PID控制方法，設(shè)計(jì)了位置控制算法，采用自學(xué)習(xí)方式進(jìn)行最佳控制參數(shù)尋優(yōu)。其控制策略主要包含：①根據(jù)誤差值情況，進(jìn)行分段PID參數(shù)配置。②設(shè)計(jì)自學(xué)習(xí)PID參數(shù)搜索算法，保證不同負(fù)載條件下的控制精度及響應(yīng)速度。③為保證無過沖現(xiàn)象，設(shè)定無超調(diào)輸出門限。

3 電液伺服系統(tǒng)搭建及試驗(yàn)測試

3.1 上位機(jī)及測試界面

采用工控PLC結(jié)合觸屏搭建上位機(jī)測試界面。其中PLC通過CANopen總線向數(shù)字伺服控制器發(fā)送設(shè)定的角度信息。觸摸屏用于設(shè)定PID參數(shù)、目標(biāo)角度、速度等相關(guān)信息，并實(shí)時(shí)顯示伺服馬達(dá)的位置數(shù)據(jù)，直觀展示系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)控制性能。

3.2 數(shù)字液壓伺服控制單元測試裝置

測試裝置包含以下部件：①搭載FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制器。②型號為ESWHEE-G02-C2-32-D24-A1的伺服閥，型號為1QJM11-0.63的液壓馬達(dá)。③負(fù)載加載裝置（最大加載質(zhì)量可達(dá)2 000 kg）。

3.3 性能測試

在測試裝置上，分別進(jìn)行了空載特性和1 800 kg負(fù)載（加載點(diǎn)位于距旋轉(zhuǎn)中心2 m處）加載測試，測試結(jié)果如圖7所示。

通過以上試驗(yàn)測試，說明該數(shù)字液壓伺服控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的精確定位控制，響應(yīng)速度快、無超調(diào)，在1 800 kg負(fù)載情況下控制精度優(yōu)于0.05°，運(yùn)行速度可達(dá)360°/min，能夠滿足電液伺服機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)束語

采用CAN總線結(jié)構(gòu)，基于FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用改進(jìn)型分段無超調(diào)PID控制方法的數(shù)字液壓伺服控制器實(shí)現(xiàn)了液壓馬達(dá)的精確角度控制，其控制精度高、響應(yīng)速度快，為機(jī)器人液壓伺服系統(tǒng)的集成提供了技術(shù)保障。經(jīng)測試采用該控制方法的多軸電液伺服機(jī)器人，其位移運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)5 m/min，旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)360°/min，末端運(yùn)動(dòng)軌跡重復(fù)定位精度可達(dá)±5 mm，后續(xù)將進(jìn)一步提升該伺服控制器的控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，并在其他液壓伺服控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 田四明，王偉，楊昌宇，等.中國鐵路隧道40年發(fā)展與展望[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（11）：1903-1930.

[2] 田四明，王偉，鞏江峰.中國鐵路隧道發(fā)展與展望（含截至2020年底中國鐵路隧道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（2）：308-325.

[3] 蘇輝，申雪松.高速鐵路隧道二襯環(huán)向施工縫預(yù)留弧形倒角施工技術(shù)研究[J].工程技術(shù)研究，2020，5（20）：84-85.

[4] 季軍.隧道襯砌臺車L型折頁式端頭模板的設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2019（10）：55-57+62.

[5] 施蕓，楊凌武，胡明華，等.既有線隧道病害整治智能切槽機(jī)器人系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（5）：221-226+236.

[6] 武曉峰.連續(xù)回轉(zhuǎn)電液伺服馬達(dá)性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[7] 王曉晶，邵俊鵬，姜繼海，等.連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達(dá)電液伺服系統(tǒng)辨識及控制[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（8）：1045-1051.