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冯喆摘要:传统的电液比例控制系统虽然价格低廉,但是其使用性能不高,针对这种情况,本文提出了一种基于ARM的电液比例控制液压系统。本系统采用ARM内核微控制器LPC2292和电机驱动芯片LMD18200作为核心的硬件电路,并对uC/OS-II操作系统在ARM上的移植过程进行简要说明。
关键词:ARM电液比例控制液压uC/OS-II
中图分类号:TH137文献标识码:A文章编号:1672-3791(2013)06(a)-0065-01
电液比例控制系统具有安装方便、系统的控制精度高、抗污染能力较强等优点,使得该系统在工程机械中倍受亲睐,引用领域越来越多。8位和16位的单片机是传统电液比例控制系统中常用的控制器,这种控制器受到单片机运算和处理数据能力低的影响,系统的运算速度、安全性、可靠性都比较差。针对以上缺点,本文选用了飞利浦公司研发生产的ARM内核微处理器LPC2292作为控制器,驱动器选用了专用的电机芯片LMD18200,操作系统采用了uC/OS-II,使电液比例控制系统的稳定性、可靠性和运算速率得到显著的提高。
1系统的工作原理
电液比例控制系统的工作原理是:系统依据外界输入的电信号的强弱,按照比例连续的控制液压系统的压力大小、流量多少以及流动方向等相关方面的参数。比例电磁铁和电液比例阀是构成电液比例控制系统的最重要的部件,在比例电磁铁和电液比例阀的基础上附加一些辅助执行机构来构成完整的系统。开环控制是在工程机械中常常采用的控制方法,只将电流采用闭环系统以达到输出量稳定的效果。人们对电液进行比例控制最常用的技术是PWM技术,PWM技术的实质是通过调节占空比的方法来达到改变电磁铁平均电流的目的,这是提高电液比例控制阀灵敏度和减少电磁铁的死区比例最有效可行的方法,由于比例电磁铁和电液比例阀是构成电液比例控制系统的最重要的部件,所以也就有效提高了整个电液比例控制系统的灵敏度和控制精度。
2硬件设计
为了满足电液比例控制系统的功能需求,整个系统的控制电路由FLASH、SRAM、模拟输入装置、数字输入装置、键盘输入、LCD显示器、总线、数字输出等组成。
LPC2292的本质是一个中央处理器(CPU),它带有仿真和跟踪的功能,独特的加速模式和存储结构再加上128位宽的接口,使其可以在最大的时钟速率下可靠稳定的运行。LPC2292的GPI0很多,最少有76个,最多的可以扩展到112个GPIO口。由于内置的串行通信接口范围比较宽阔,使LPC2292在通信关和协议转换方面也有很大的应用。
内存储器容量较小是ARM微处理器普遍存在的问题,这就要求用户在使用ARM微处理器的时候必须对其内存容量进行扩大。本文采用一张1MB×16的CMOS多功能FLASH和一张512KM×16的高速CMOS静态RAM来对ARM微处理器进行扩展,以达到快速缓存程序数据的目的。LPC2292具有外部存储器接口模块是LPC2292的一个优点,这使人们可以在外部存储器接口的基础上,对寄存器组根据需要进行有效的扩展,扩展数量一般为4个,设置每个寄存器的物理空间大小为16MB,这使得程序的调试和代码的固化更加的方便。在进行程序的调试时,可以将LPC2292分配为BANK0地址,以确保以后的异常向量表操作的顺利进行。在对FLASH进行代码固化的时候,将FLASH分配为BANK0,BANK0可以有效的对程序进行引导。本文所采用的都是16位的总线接口,用LPC2292的地址总线A1-A20分别与相应的接口相连。
控制电液比例阀的电流大小是电液比例控制的核心内容,驱动电流一般为1A,必须对LPC2292输出的信号进行放大,还得巧妙设计电液比例控制阀的保护电路,以防止过流、欠压、短路、回流等现象的发生。本文的PWM驱动器选用直流电机驱动芯片LMD18200,LMD18200具有很强的驱动能力,瞬间的驱动电流可以达到6A,正常的工作电流为3A,还具备温度报警、过热与短路保护的功能。单极性驱动和双极性驱动对于LMD18200来说都可以满足,本文选择单极性驱动作为电液比例阀的驱动方法,其控制信号有方向和幅值两个,方向信号由DIR电平确定,幅值信号由PWM的占空比决定。
3软件设计
uC/OS-II自20世纪90年代以来在世界各地获得了广泛的应用,是以一种优先级可抢先为基础的硬实时内核,其设计只初的定位就是一种嵌入式的设计内核,截止目前由超过四十种不同结构的CPU应用,而且从8位到64位的芯片都有,更重要的是该系统的升级版本,通过了美国权威机构FAA认证,这样使人们将此系统更加放心的应用于对可靠性、安全性要求极为严格的航空航天技术领域。鉴于uC/OS-II可以免费获得代码,对于嵌入式RTOS而言,选择uC/OS无疑是最经济的选择。uC/OS-II在ARM上的移植是电液比例控制系统软件设计的主要内容。要把uC/OS-II成功的移植到ARM上必须有三个与处理器相关的文件,具体如下。
(1)C语言头文件。
C语言头文件是定义与译码器无关的数据类型、堆栈类型堆栈增长方向和SWI服务函数,在ARM中有两种处理模式:一是用户模式,二是系统模式。各种模式有不同的权限。
(2)汇编程序源文件。
软件中断的汇编接口,任务级任务切换函数和中断级任务切换函数,还有就是启动最高优先级的优先就绪任务函数。
(3)C程序源文件。
C程序源文件的主要作用是任务堆栈初始化代码、软中断异常处理程序、开关中断、子函和移植增加的确定函数。
可靠性和实用性是我们在编写成簇时候必须考虑的问题,根据实际应用,将任务按照优先级进行科学的分类,优先级高的排在优先级低的前面,这样在程序运行过程中会根据优先级有条不紊的运行程序,有效的避免程序的混乱,起始任务、键盘扫描任务、监控任务、PWM输出、将数据液晶显示、对模拟信号的有效合理采集和通信任务为并行存在7个重要任务。将各个任务进行编码、编写合理的调用子程序以及合理编制中断合理程序后启动操作系统,应用程序便开始运行了。
4结语
本文主要通过介绍基于基于ARM的电液比例控制系统的工作原理,从硬件系统的设计和软件程序的编写两个方面对该系统进行了简要阐述,本系统解决了传统的电液比例控制液压系统性能差灵敏度低的缺点,并经过试验证明,该系统具有精度高、可靠性好、运行稳定、实时性比较好的优点,可以在很多种试验台上广泛调用。
参考文献
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