（机械工程专业论文）汽车转向助力模拟加载系统的设计研究.pdf

哈尔滨j ：程人学j 二程硕士学位论文 摘要 水文进行了汽车转向助力装置模拟加载系统的设计研究，构造了一个模 拟加载系统，完成了模拟! j 载系统机械和液水部分的设l 作，应用比例溢 流阀实现对系统油压的控制，实现了对转向助力装簧的能耗模拟。 结合课题的实际，阐述了可编徉摔制器存小型上、i p 自动控制系统i f 应川。 以两门了公司的s 7 2 0 0 c p u 2 2 6 、t d 2 0 0 为主要部件设计了卜i 位机系统，实 现刈模拟加载系统油压的丌环控制、闭环控制功能，同时设计丌环瓜j 的标 定模块，换阳模拟功能模块，以及模拟信号的和转速信号的采集功能模块。 控制系统采1 l _ f j 上位机j 卜- 位机艟l 结合的形式，通过串行 进行数据的芹 步传输。采用m i c r o s o f tv c 十十设计了主控计算机的监控程序，编制了上位机 实时数据采集监和控软件，实现了与下位机的串行通信功能。实现了j j 载系 统的远程控制功能。 进行了整套系统的调试和实验工作。实验表明：设训的转向助力模拟加 载系统完伞达到设计要求。在模拟加载系统上完成了几台次曲轴：【：艺改进和 发动机前罩壳结构改进效果的可靠性验证工作，为最终解决曲轴断裂和前罩 壳裂纹故障发挥了重大作j f j 。 关键词：转向助力；加载系统：p l c 应用；串行通讯：v c + + 哈尔滨上程大学上程硕十学位论文 a b s t r a c t t h ee s s a yr e s e a r c ht h ep o w e rc o n s u m p t i o ns i m u l a t i o no ft h ev e h i c l e h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gg e a r o nt h ee n g i n et e s tb e d a l s ot h es y s t e m a t i c d e s i g n i n gm e t h o di sc o n c e r n e d as i m p l ep l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) c o n t r o l l e dh y d r a u l i cl o a d i n gu n i ti sb u i l tt or e a l i z et h es i m u l a t i o no fp o w e r c o n s u m p t i o n o fv e h i c l eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gg e a r f i h ea p p l i c a t i o no fp l ci nt h ef i e l do t a u t o m a t i cc o n t r o li sd e s c r i b e ds u c h a st h eh i g hf r e q t l e n c yp u l s e sa c q u i s i t i o n ，a n a l o gi n p u t ，o p e ni o o pc o n t r o la n dp i d c o n t r o le l c a sai n s t m _ 1 c e ，as l a v ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e do nt h eb a s i so f s i e m e n s ss i m t i cs 7 2 0 0c p u 2 2 6a l l 。e m 2 3 5a n dt d 2 0 0 t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t st h ep o p u l a rs t r a t e g yb yi n t e g r a t i o no fm a s t e r c o m p u t e rm a ds l a v ec o m p u t e r , b e t w e e nw h i c hs e r i a lc o m m u n i c a t i o n i sb u i l t 1 h e m a i nm o n i t o r i n gi n l e f f a c ei sa l s ob u i l tb yd i n to fm i c r o s o f tv c + + l a n g u a g et o r e a l i z et h er e m o t ec o n t r o lo fl o a d i n gu n i t t h ec o m m i s s i o n i n gm i dt h et e s ts h o wt h a ta l lt h er e q u i r e m e n t sa r er e a c h e d r h i sl o a du n i ta l s op l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h es o l u t i o no fc r a n k s h a f tb r e a k a c c i d e n t k e y w o r d s ：p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ；h y d r a u l i cl o a d i n gu n i t ；p l ca p p l i c a t i o n ； s e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n ；v c + + 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑蕈声明：本论文的所有一i j 作，是在导师的指导下， 山作者本人独市完成的。有关观点、乃+ 法、数据和文献等的 引川已在文中指，并与参考文献相对j 衄。除文中已绎注明 引用的内容外，本沦文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做f f 贡献的个人和集体，均 已存文中以明确的方式标明。本人完全意识剑本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) 日期：町年f f 月wh 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 液压转向助力器存刚性车架的轮式1 。程机械和重型装载汽车卜应片j 广 泛，在中高档轿车中金部装有转向助力装置，随着家用微型汽车的发展和 普及，h 前在很多微乍上也，i ：始加装转向助力装置，以扶得较大的驾驶舒 适性。 转向助力系统按上作介质来基本分有两种：( 1 ) 液压助力转向系统；( 2 1 电动助力转向系统。对第一种型式的转向助力装置，按系统内部的压力状 态分义仃常j i i 和常流式 两种。在油象的驱动方式 l ：分：一种为电机驱动油 泵的方- ，另种为发动 机曲轴驱动油泉方式。 l h 动转m 助力系统， 多州j 二中高档的轿车，而 液压转向助力系统相对价 格较低，因此我国目前也 产的微型轿车如奇瑞的 q q 和哈飞路宝在2 0 0 3 年未都采用了如图1 1 所 1 内燃机2 液压泵3 液压缸4 车轮 5 转向f | j 6 流量调节阀7 溢流阀 图1 1 传统中位开式转向助力系统r 作原理 示的这种南曲轴驱动、常流式液压转向助力系统。这种结构的优点是：结 构简单、油泵寿命长，价格较低，不需要在整车结构卜做太大的改动，也 不需要在艇车的电控软件上做控制和匹配工作。 哈尔滨上程大学颂士学位论文 但是从2 0 0 4 年开始，搭载这两种车型的d a 4 6 5 q 和d a 4 6 5 q 1 a 发动 机相继出现曲轴前端断裂的故障根据金相分析的结果，断裂是由于弯矩 产生的。而在其他配置相同，但末加装转向助力装置的车辆中却没有发生 此故障。另外安装转向助力泵的支架南j 未经过试验的考核，也在车一h l j ； 现丁断裂的现象。可以断定：足由一】：转向助力系统的转向载荷造成了故障 的发， 三。冈此除了设计上的重新校核，还需要有一种台架试验装置来代替 牟卜的转向助力系统，对曲轴前端的u 。靠性进行专门的试验考核，从而达 剑以下儿个h 的： 对现装车的发动机曲轴的可靠性进行考核； 刈助力泵支架的强度进行可靠性考核 刈曲轴的】：艺结构( 如加大帅轴圆角和挤压圆角j c 艺) 改进效果进 行验证。 在进 j ：发动机净功率试验时，山于包含了转向助力泵的功率损耗的 因素，冈此可以得到更接近真实的结果。 本文尝试了应用s i e m e n s 公司的s 7 2 0 0 可编程控制器对液压加载系 统进行控制，并取得了较好的效果。陔方法应用在发动机产品试验。 j 非常 合适，1 i 但能达到相应的技术要求，更熏要的是可编程控制器这种高度集 成化的自动控制技术的应用，可以快速搭建试验系统，达到相应的技术要 求，缩短产品的试验考核周期。 1 2 可编程控制器的发展概况 1 2 1可编程控制器的发展历史 可编程序控制器技术，是在6 0 年代末由继电器控制系统发展起来的， 简称p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 。1 9 6 8 年，美国最大的汽车制 造商通片j 汽车公司( g m ) 为了适应生产：r ：艺不断更新的需要，从用户 角度提出了新一代工业控制器的十大条件，从而弓l 发了开发的热潮。1 9 6 9 ， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 年美国数字设备公司( d e c ) 研制山第一台可编程控制器p d p 1 4 ，在通用 汽车公司的生产线上试用成功，可编程控制器由此诞生。可编程控制器自 问世以来，发展极为迅速。1 9 7 1 年，同本开始生产可编程控制器，1 9 7 3 年 欧洲开始生产可编程控制器，到现在，世界各国的一些著名电器j i ：厂都存 生产可编程控制器。可编程控制器已作为一个独立的j 业设备被列入生“ t h 成为当代电控装置的主导。 1 2 2 可编程控制器的技术现状 早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，指令 系统简单，一般只具备逻辑运算功能。随着微电子技术和集成电路的发展， 特别是微处理器和微型计算机的迅速发展，可编程控制器已经完全汁算机 化，其速度更快，功能更强，已从早期的简单的逻辑判断、计时、计数等 顺序控制功能发展到具有了数学运算、字符转换、对模拟量进行控制( 如 p i d 控制功能) 、网络通讯等功能。可编程序控制器最突出的优点是极高的 可靠性和抗干扰能力，应用丁- 发动机试验室这样具有很强的电噪声、 乜磁 干扰、机械振动、温度和湿度变化很大的工业现场具有无可比拟的优越性： h 前可编程序控制器采用面向控制过程、而阳用户的编程，易学易掌握。 如针对电气工程师的梯形图语言，和针对熟悉软件编程的类似高级语言的 语句表语言编程等；可编程序控制器易于安装，便于维护，这对丁 业过 程控制的实现及在后续使用巾的维护都是十分重要的。 1 3 电液比例控制技术的现状 在传统的电液控制系统里，核心元件是伺服阀。但是伺服阀严格的介 质清洁度要求，专门的闭环电路设计要求，复杂的液路系统，加上昂贵的 价格等因素，使其应用被限制在狭小的范围内。随着对设备的自动化要求 越来越高，以及电子、计算机技术的普及应用，伺服阀的缺点更显得突出， 甚仝成为电液控制技术推广+ 的障碍。电液比例控制是介于开关式捧制和电 3 哈尔滨= 程人学硕：= 学位论文 液伺服控制之间的控制方式，它能实现对液流压力和流量连续地、按比例 地跟随控制信号而变化，其响应速度和控制精度能满足一般工程需要，且 具抗油污、成本低、简化液压系统、改善控制性能等优点，技术和产品都 比较成熟，冈此在模拟加载的控制系统中有较多的应用。 上海师范大学机电学院设计的应用电液比例控制技术的车桥动态检测 试验机系统，该系统具有模拟加载和制动加载的功能，山电液比例阀对输 出压力、流量进行控制实现了对载荷的控制，以较低的开发成本实现了生 产线在线检测的技术需求。m 西安交通大学玎发的，以电液比例擦制阀为 核心控制，件的电液伺服协阋加载系统，通过辅助建立特殊的数学模刹， 实现了多通道电液伺服姆调加载的功能，各项技术指标达到了伺服阀为主 要元件的协调加载系统的水平。 目前以电液伺服控制技术为基础的液压加载试验系统已闩益成熟，且 育卜分广泛的应用前景。奉课题考虑到实际的需求和试验器建设成本的因 素，采j j 以电液比例溢流阀为主要元件搭建模拟加载系统，控制系统部分 采用呵编程序控制器作为下位机，对各种数据、参数进行实时的采集和控 制；应用主控计算机与下位机进行通讯，实现远程监测和异地控制。 在发动机试验台架上以上述方式搭建的转向助力泵模拟加载系统，目 前存同行业巾尚属首例。 1 4 本文的主要工作 本课题主要是研究基于可编程控制器和电液比例溢流阀的液脏模拟加 载控制系统，包括控制系统的硬件结构原理及安装调试，系统控制软件程 序的编制两大部分。论文完成的主要工作如下： 构建模拟j j u 载系统。通过对液压系统原理及组成的分析，搭建了以电 液比例溢流阀为主要元件的转向助力的模拟加载系统。系统的控制采用上、 下位机的控制方式。下位机采用s i m e n s 公司的小型叮编程序控制器 4 哈尔滨：i 栏大学硕士学位论文 s 7 2 0 0 划模拟系统的压力和换向动作进行拧制；卜位机采用计算机与下位 机进行通讯的方式，时系统进行数据的采集和鼹示，并可以对下位机进行 参数的设定工作。 控制系统软件编制。下位机控制程序的编制，其中主要进行模拟量采 集与处理程序的编制；与发动机转速牛h 关的系统压力丌环及闭环控制程序 编制；采用t d 2 0 0 制作下位机的人机界面。 在上位机采用v c + + 语占编制通讯程序通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 串1 j 卜 位桃p l c 进行通讯，并存上位机对试验数据进行实时的峪控，p l c 中的参 数也可以通过上位机的通讯程序进行设定。 哈尔滨工程人学硕十学位论文 第2 章车用转向助力系统的能耗分析 2 1 引言 为保汪模拟加载系统与实际状态的一敛性，下血我们对车用转向助力 系统的能耗情况进行简单的分析。从图1 1 的原理陶我们- l j - 以看m ：山于犯 个系统由发动机的曲轴驱动，l 大lj l e 助力系统直处丁| j 作的状念。在小转 阳时，在转向滑阀的中 位有预丌黾，米白转i 柚 杂的液j e 汕经过槽和 槽脊之i 、r j 的缝隙、阎芯 卜的径向孔流到油 箱( 这山是被称为常流 式转向助力系统的原 因) ，整个系统的能帚 消耗较小。 图2 1 叶片泵流量及功率特性图 图2 1 为奇瑞q q 和哈e 路宅配备的叶片式双作用液压油泵的流量和功 率特性图，从图上可以看出：在不打转向时，系统的功耗最小，存发动机 达到额定转速时只有0 5 - 4 ) 8 k w 左右的功率消耗； 在转向时，系统对供给转向液压缸的液压油进行流量和压力的摔制， 保证在液压缸处消耗的功率与转向的负载有关，从而达到转向助力的只的。 哈尔滨l 鼙大学硕十学位论文 2 2 液压泵的出口压力p 对系统功耗的影响 图2 ，2 糸统能量转换 从图2 2 所示系统能量转换流程可以得到： p ：上 1 1 。卵。 式中： p 一曲轴的输出功率 m pa c 一泵实际输出功率 t 1 m 一液压汕泵的机械效率 q 、，一液压油泵的容积效率 而 p ：丝 ( 2 一1 ) r 2 2 1 哈尔滨1 ：稃大学硕e 学位论文 式中： p a c 一泵实际输出功率 p一泵出口压力 q a c 一泵的文际输 h 流 其中泵的实际输出流量q ，的表达式为： q 。= l ( 2 3 ) 印。r ， 式h q 一泵的几何排量 n 一油泵转速 我们知道：泵的几何排量q 只与泵的几何形状有关，对于本例中的双 作用叶片象，q 只与叶片数、叶片宽度、泵定予内表而圆弧部分的长短半径、 l i ；j 争度和叶片倾角等几何参数有关，也就是说对某种成熟产品来说，q 值 是同定不变的。故q a c 只是油泵的转速的函数。将( 2 3 ) 式代入( 2 2 ) 式， 再代入( 2 1 ) 式得到： p m 。p 面q n 丽 2 _ 4 从( 2 4 ) 式看 ：在转速n 一定的情况下，曲轴的输出功率p m 只足 油泵出li 压力p 的函数( 或者说，存压力不变的情况下，p m 随转速n 线 性变化，这存图2 1 中可以清楚的看出来) ，因此在台架的模拟系统中我 们采用汽车专用的转向助力泵( 双作用定量叶片泵) ，保证q 、n v 、n i t i 与整车状态的一致性。只要控制油泵的出口压力p ，理论上就可以实现某 个发动机转速下转向助力系统功率消耗的模拟。 2 3 液压泵的入口压力对系统的影晌 实际上，泵的入口压力对泵的工作 状态也有很大的影响。如图2 3 所示， 设泵的吸油口比油箱液面低h ，取吸油 管液面和泵出v i 处截面列写伯努力方 程，并以截面为基准水平面，则有 式中 i l 图2 3 油箱高度对泵入口压力的影响 旦l + 蔓+ h ：且+ 兰+ n 。 p g2 9p g2 9 f 2 - 5 1 p 一油箱液面e 力 p 9 一油泵泵口压 v 1 - 油箱液面液体流速 v 泵油入口流速 h w - 能量损量 h 油箱液面 聚箱液面i 髑度 p 一液体密度 忽略h 的影响，本例中p l 与大气压p a 相等，即p l = i m ；又由于v l o 时，说明泵的入口压力是负压，即在 入口处产生了真空。当真空火一r 浚温度下的空。t 分离压，就会产生气穴现 象，影响熬个系统的一f 作状态，严重会使泵和液压系统刁i 能工作。这在液 压系统中足应该避免的。从等式的右边看出：f i i 两项永远为i r 值，只有舀： 第二项2 触譬+ 2 p g h w 时，泵的入口才是正压，即p a _ p 2 。因此在 进行系统设计时一定要保证油泵的入口位十油箱之下，且高度差要达到汁 算的要求。 为了与真实情况更接近，在系统搭建时此高度差与4 三上的状态要保持 敛。 刈】：整个助力系统而占，从发动机处狭得的驱动功率与车辆的 j 二驶状 态无天，而只与发动机的转速和油泵的出口压力有关。这个特点使我们【，_ 以搭建一个台架加载系统来模拟真实转向助力系统的功耗。 2 4 本章小结 1 本章简述了转向助力液压泵的出l ij i i 力对系统功耗的影响 2 分析了转向助力液压泵的入压力和模拟加载系统安装高度对系统 的影响。 哈尔滨一l i 程人学硕士学位论文 第3 章转向助力模拟加载系统的设计 3 1 引言 在发动机进行可靠性试验时，按照爿i | 一的试验规范要求，对模拟： i i j 载 系统提出以下要求： 1 n 二曲轴f j i 端施加个交变( 转阳的模拟) 的负找 2 能够根据发动机的转速划负载的火小( 系统油压) 进 j ：调整 3 能够对加载的周期和频率进行调整 4 可对加载参数进行方便的调整和监控参数的硅示 5 利用上二位微机进行远程控制 根据以上要求，系统的功能框图如图3 1 所示 图3 1 模拟系统：i ：作原理框图 3 2 液压系统的构成 3 2 1 液压系统构成 系统的原理图如图3 2 所示。主要的控制，件足一个二位四通的换向 哈尔滨j ：程大学硕e 学位论文 滑阀和一个靠标准电压信号控制的比例溢流阀，分别实现换向的动作和系 统压力的控制。 目前液压伺服技术的发展非常迅速，成熟产品在市场上可以很容易获 得，考虑发动机试验台的有限空间，决定采取叠加阀的形式对系统进行构 造，尽显减小空间的占用。 1 手动蝶阀2 双作用叶片泵3 发动机曲轴4 直动式溢流 阀5 压力表6 板式水冷却器7 吸油过滤器 8 窄气滤清 3 2 2 液压件的选择 图3 2 转向泵模拟系统原理图 液压泵：奇瑞的q q 和哈飞路宝轿车均使用国产双作用叶片液压油采 ( 浙江恒隆永安泵业有限公司，车厂代号：s l l 一3 4 0 7 0 2 0 b b ) ，这种油泵运 转平稳，瓜力脉动小、噪音小、结构紧凑、体积小，流量较大。 1 2 哈尔滨 _ ：程大学硕士学位论文 比例溢流阀：用于能耗控制( j 玉力的控制) 的执行元件。采用意火利 生产的a t o s 直动型比例溢流阀，内部集成信号放大器，拧制信号o 1 0 v ， 初步选择型号为r z m 0 一a e 一0 3 0 5 0 安伞溢流阀：用于系统的安全保护，防止在调试和标定过程中出现压 力超出安个范围，对人身和系统造成损害。采用榆次油研的卣动溢流阀对 系统眶力进行控制，选择氆号为m b p 0 1 b 电磁换向阀：实玑在可靠性试验过程中交变的加载动作，i 司时通过p l c 进行周期和频率的控制，选择型号为d s g 0 1 3 c 6 0 一d 2 4 型的三位四通电磁 换向滞阀。 表3 1 其他的零部件型号如下 序号名称型号数量 l 油缸接头m 1 6 x1 5 ( 组) m 1 4 x1 5 ( o 型圈)2 件 2 胶管 巾6ia 一4 0 0 m m2 根 3 转接3 8 ”m 1 4 1 52 件 4 接头m 1 6 1 5 ( 组) m 1 8 1 5 ( o 型罔)2 件 5 螺堵3 8 ”g b l ( ) 0 0 2 什 6 pu 接头 3 8 ”m 1 8 1 5 ( o 型圈) 1 件 7 液瓜缸h s g l 0 1 3 1 18 el = 2 0 m m 自u 法兰l 件 8 0l l 接头3 8 ”m 18 1 5 ( o 型圈) l 件 9 连接管 巾1 0ia 7 0 0 m m l 根 l o 连接管 ( b 1 0ia - 4 0 0 r a m l 根 1 1 换向f f 5 4 d s g 0 1 3 c 6 0 一d 2 4 1 台 1 2 溢流阀 m b p 0 1 b 1 台 1 3 基板 m m c 0 1 一0 1 l 台 1 4 螺栓组件 m b k o l 0 1 1 套 1 5 外关 k f l 8 14 e 1 件 1 6 压力表 y - 6 00 7 m p a 1 块 1 7 滤油器 w u 2 5 8 0 l 件 应用u g 软件进行实体没计，设计的效果如图3 3 所示 i3 哈尔滨- l = 程大学硕上学位论文 图3 3u g 设计的加载系统三维实体 3 3 加载控制系统的组成 3 3 1 加载系统的换向控制 采用西fj 子公司的s 7 2 0 0 可编程控制器( c p u 2 2 6 ) 作为主控制系统， 实现对模拟加载系统的换向控制，通过换向频率和周期的调整，实现在阳 轴前端加载交变载荷目的。 3 3 2 发动机转速信号的采集和处理 利用s 7 2 0 0 的高速计数功熊，通过对测速齿轮进行高速脉冲计数，经 过程序处理，实现对发动机的转速进行采集测量： 3 3 3 模拟量信号的采集和处理 利用模拟量扩展模块e m 2 3 5 对压力模拟量信号和温度模拟量信号进行 采集和处理。 1 4 根据发动机转速的变化，实现系统压力开环和闭环控制功能。 3 3 4 人机界面 1 d 2 0 0 作为整套加载系统的人机界面，可以实现： 系统的远程操作与控制 进行p i d 参数设定 j l ：坏系统的标定 转速、压力、温度等参数的显示功能。 控制系统接线原理如图3 4 所示 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 囤剧隧颦螺嘹磊辍寸n圃 螺峨品掣2稚馋啦删辩芝眯馋睾r幽i 屡媾涮基丑掣蚶趣_【一屡匠轼。h 虹巡赠口稚莘煺妒州唏熄捌h椎嚣史*。悄r幽n屡蜷涮州馘t群坦幂臀越n隧趣古n匿柩 哈尔滨丁秽大学硕十学位论文 3 3 电气控制元件及传感器的选择 表3 2电气控制元件及传感器 序名称羽号主要技术指标 牛产j 号商 1 s 7 2 0 0 可编c p u 2 2 6本机i o ：2 4 入1 6 出德幽 程序控制器 a c d c r e数据存储区：2 5 6 0 字s i e m f l a y扩展模块：7 个 n s 公 2 1 6 2 b d 2 3商速计数器：6 路3 0 k h z ，4 蹄2 0 百i 0 x b 0 k h z 靠尔指令执 i 速度：o 3 7p - s 通讯u ：2 个r s 4 8 5 浮点运算功能 2 模拟肇扩腱 e m 2 3 5 4 输入1 输出 德幽 模块2 3 5 0 k d 2 21 2 位分辨率 s i e m e 0 x a 0 数拊字格式： n s公 电压：一3 2 0 0 0 - + 3 2 0 0 0 i j 电流：0 , 3 2 0 0 0 3 比例溢流阀e b g 0 3 c 控制信号0 1 0 v ( 4 2 0 m a )意大利 集成信号放 5 0 a t o s 人器 公司 4 压力传感器 n s 1 1 1 0 m0 1 0m p a ( 4 2 0n l a ) 上海天 ( 变送器一 p a 3 g 1 2 2 1 沐自动 体) 化仪表 5 温度传感器 j m 6 0 8 i l肚2 0 0 ( 扣2 0 m a )天津今 ( 变送器一 p t l o o 明仪器 体) 6 ， 转速传感器 c s c 1 1 2 0 1 0 0 0 0 r p m ， 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 4 输入、输出( i 0 ) 地址分配： 表3 3c p u 输入输出( i o ) 地址分配 模块号 地址号 信号名称外接元件 1 0 o 外部脉冲输入转速传感器 1 0 1 系统停止按钮( 停止) 1 0 2 系统启动按钮( 启动) t o 3 坏模式选择转换旋f - 1 f 1 0 4 闭环模式选择转换旋钮 i o 5 换| f l j 模式启动按钮( 肩动停i i ：) c p u 2 2 6 q 0 1系统停止指示信号灯 q 0 2系统启动指示信号灯 q 0 3 丌环指示信号灯 q 0 4闭环指示信号灯 q 0 5换阳动作指示 信号灯 q o 6换向阀a 动作电磁阀 q 0 7换向阀b 动作电磁阀 a i w o 压力信号1 5 v压力传感器 e m 2 3 5 a q w 0电流输 4 2 0 m a比例溢流阀 可编程序控制器的外部接线如图3 5 所示 哈尔滨j ：程大学硕士学位论文 9 圃螺蝼鼯式。n山椎磊辍驰骠旦t囤 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 本章小结 1 本章简述了转向助力模拟加载系统液压部分的组成。 2 介绍了卜位机控制系统的组成及各部分电器元件的选择。 3 介绍了作为下位机使用的西门子s 7 2 0 0 可编程序控制器的的选择 和系统接线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章控制系统程序设计 4 1 下位机( p l c ) 控制软件模块结构 下位机控制软件由频率转换模块、压力标定模块、压力擦制模块和显示 模块四大部分组成，压力控制模块的功能由丌环和闭环压力模块两部分来实 现。f 位机控制软件的模块结构虫i | 图4 i 所示。 图4 1 控制软件模块结构图 程序流程图如图4 2 所示 图4 2 下位机软件流程图 系统内存变量分配见附录1 4 2 发动机转速信号的采集与处理模块 4 2 1 转速脉冲计数方式的选择 本项目的转速测量范围为0 1 0 0 0 0 r p m ，如果选取6 0 个齿的测速齿轮， 那么传感器发出的脉冲信号频率就高达1 0 k h z ， 1 个脉冲的平均周期只有 0 1 m s 。 我们知道，可编程控制器的普通计数器的计数过程与c p j 扫描工作方 式有天，这就造成了它的工作频率很低， 1 般仅为儿十赫兹。凼此不能用 普通计数器进行转速的脉冲计数。这点通过简单的测算就可以理解：c p u 通过每一扫描周期读取一次被测信号的方法来捕捉被测信号的上升沿，按 堆条指令执行时问o 3 7 us 计算，1 0 0 指令的扫描周期为o 3 7 m s ，丽一个脉 冲的周期只有0 1 m s ，这时就会丢失计数脉冲。而高速计数器由于其t 作方 式与1 1 j + 编程控制器的扫描周期关系不人，可以刘普通计数器无能为力的事 件进行计数。cp u 2 2 6 有6 个高速计数器，最高计数频率为3 0 k h z ，本项目 的测速齿轮齿数为6 0 ，则在6 0 0 0 r p m m i n 时的计数频率为6k h z ，使用高速 计数器i ，t 以充分满足测速要求。 4 2 20 p u 2 2 6 高速计数器的简介 1 c p u 2 2 6 高速计数器可设置多达1 2 种不同的操作模式，可以根据使 用要求自由进行组合，完全达到测试的要求和精度。卜- 表说明了选择不同 的计数器时在输入端的连接方式的差异。 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 表4 1 c p u 2 2 6 的高速计数器连接方式 高速计数 i o y y 的取值1 1 y y 的取值 器编号 012345670i 2345 l l s c o h s c l 、， i t s c 2 h s c 3 f h s c 4 h s c 5 输入输出 中断 2 高速计数器的特殊功能寄存器 每个高速计数器都有个字节的状态寄存器和一个产节的控制寄存器 。j 之刘廊，求实现埘高计数速器的状态进行峪视和功能的控制。具体对应 关系如表4 2 所示： 表4 2 高速计数器的特殊功能寄存器 高速计数器状态字节控制字节初始值双字预设值双宁 的编号 h s c os m b 3 6s m b 3 7s m d 3 8s m d 4 2 h s c ls m b 4 6s m b 4 7s m d 4 8s m d 5 2 h s c 2 s m b 5 6s m b 5 7s m d 5 8s m d 6 2 h s c 3s m b l 3 6s m b l 3 7s m d l 3 8s m d l 4 2 h s c 4s m b l 4 6s m b l 4 7s m d l 4 8s m d l 5 2 h s c 5s m b l 5 6s m b 1 5 7 s m d l 5 8 s m d l 6 2 哈尔滨：程人学硕士学位论文 4 2 3 高速计数器的初始化步骤 1 选择计数器及工作模式 由于转速在系统启动时就进行实时的显示，没有转速方向的改变，不需 要外部的触发和复位信号，因此选用h s c 0 高速计数器，工作模式选择为0 ， 即只应用1 0 0 进行外部时钟脉冲信号的输入。 2 设置控制字节 每个高速计数器都对应一个控制字节，通过对控制字节中指定化的编 程，可以根据操作要求设置字节中各控制位，如复位与启动输入信号的有 效状念、计数速率、计数方向、允许更新双字值和允许执行h s c 指令等， 控制字中各控制位的功能如表6 所示： 表4 1 3 高速计数器的特殊功能寄存器 摔制何功能描述适用的计数器 i i c n s m 7 0复位高低有效控制似：0 ，高 乜位有效；o ，i ，2 ，4 1 ，低 u 位有效 s m 7 1启动高低有效控制位：0 ，高电位有效；1 ，2 1 ，低 乜位有效 s m 7 2 l 卜交计数速率选择：0 ，4 x 计数速率； 0 ，l ，2 ，4 1 ，1 x 计数速率 、 一数方向控制位：0 ，减讨数：1 ，增0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 s m 7 3 t l+ 数 s m 7 4写计数方向允许控制：0 ，不更新；1 ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 更新计数方向 s m 7 5写入预设值允许控制：0 ，不更新；1 ，o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 更新预设值 s m 7 6写入初始值允许控制：0 ，不更新；1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 更新初始值 s m 7 7h s c 指令执行允许控制：0 ，禁止h s c ；0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 l ，允许h s c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 执行h d e f 指令 本项目中，执行h d e f 指令时，h s c 的输入值为0 ，m o d e 的输入值 为0 ，指令如下：h d e f0 ，0 4 设定初始值和预设值 每个高速计数器都对应一个双字长的初始值和双字长的预设值。两者都 是有符号整数。当前值随计数脉冲的输入而不断变化，当前值可以由程序 直接读取h c n 得到，存奉例中当前值通过读h c 0 的值得到当前的脉冲汁数 值。 5 设置中断事件并全局丌中断 本例中为了实现将计数脉冲转化为转速值，使用了定时器中断t 3 2 ，。 j 断事件号为2 l ，并将t 3 2 的定时器中断号2 l 与转速中断了二程序s p e e di n t 连接起来，并令局中断。指令如下： a t c h s p e e r ) _ j n t ，2 l e n i 6 执行h s c 指令 以 ：6 步实现对高速计数器的初始化j 二作。 4 2 4 转速测量的程序实现 在本例中用如l 、公式实现脉冲数到转速的转换： n ( r p m ) = 蕊酾篇翩面舢o o o 洚” 2 焉i ；i i i i 否i i j i i 王i 再i i j i i 晒。b u u u u 1 程序清单如下： 高速计数器h s c 0 初始化子程序s p e e di n i l ds m 0 0 m o v b16 # f 8 s m b 3 7 s e tc o n t r o lb i t s ：c o u n tu p ；e n a b l e d ； m o v d+ 0 s m d 3 8c v = 0 ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m o v d + 1 0 0 0 0 0 0 0 ，s m d 4 p v = 1 0 0 0 0 0 0 0 ；t j 擞周期内永远p v ：c ：c v h d e f 0 ，0定义h s c 0 ，工作模式0 a t c hs p e e di n t ，2 1 1 中断连接，中断为s p e e di n t ，事件号为2 l e n l 全局：j i ：中断 h s c0 编程h s c 0 ，使设置生效 转速的测量和读取中断程序s p e e di n t i ，ds m 0 0 m o v dh c 0 a c 0 m o v d+ 0 s m d 3 8 m o v b16 # c 8 s m b 3 7 i i s c o d t ra c 0 a c 0 r0 1 a c 0 m o v d+ 1 ，a c l d t ra c l a c l ra c l a c 0 + r6 0 0 a c o m o v ra c 0 v d 5 2 m o v rv d 5 2 v d 3 0 0 0 4 3 模拟量信号采集与处理 读取h s c 0 的当前脉冲数 将h s c 0 钏始值清零 重设控制字s m b 3 7 ，不重装设定值 编程h s c 0 ，使设置更新 6 0 齿测速齿轮 换算成r p m 将计算出来的转速值放入v d 3 0 0 0 巾 转速值送入t d 2 0 0 的v d 5 2 进j j 显示 本例中共涉及两个模拟量信号的采集和处理：一个是来自压力变送器的 4 - 2 0 m a 标准压力信号，另一个是来自温度变送器的1 5 v 的标准温度信号。 这两个模拟量信号直接送入e m 2 3 5 模块进行处理，以作为其他功能模块的 变量输入，同时在人机界面t d 2 0 0 液晶显示器上进行实时的显示。 4 3 1 模拟量扩展模块e m 2 3 5 输入输出 s 7 2 0 0 具有e m 2 3 1 、e m 2 3 2 、e m 2 3 5 三种规格的模拟量输入输出模块， 其中e m 2 3 1 是4 路模拟量输入模块，e m 2 3 2 是2 路模拟量输出模块，e m 2 3 5 是组合模块，含4 路模拟量输入及1 路的模拟量输出。下而给出本例使用 的e m 2 3 5 的技术规范( 包括通用技术规范和模拟量输入输出规范) 哈尔滨1 _ 程大学硕士学位论文 表4 4 模拟量模块输入输出技术规范 输入技术规范 输出技术规范 最大输入电压 3 0 v d c 隔离( 现场到逻无 辑) 最大输入电流 3 2 m a 信号范围 输入滤波衰减 3 d b 3 1 k h z 电压输出 1 0v - 分辨率1 2 位a d 转换器 电流输出 0 - 2 0 m a 隔离 古 分辨率，满甚碰 输入类型筹分电压 1 2 位 输入范闹 电流 1 1 何 电压雌极性 0 - 1 0 v , 0 - 5 ”0 m ”0 - 5 0 0 i n 圹0 - 1 0 0 m ”0 - 5 0 m v 数据字格式 i 眇l i 双极性 1 0 v , 5 v , 2 5 v , 电压 一3 2 0 0 0 - + 3 2 1v 5 0 0 m v , 电流 0 0 0 0 + 3 2 0 0 0 2 5 0 m v - 1 0 0 m v , 精度2 满量 5 0 mv - 2 5 m v 最差情况，0 | 。c 5 5程 ” i2 满量 电流 0 n 一2 0 m a 电压输山程 a d 转换时问 2 5 0 i xs 电流输出 模拟输入阶响1 5 m s 到9 5 典型2 5 5 满虽 凸m 电压输出 聪 共模 q j , 9 4 0 d b ，d c 到6 0 h z 电流输出 5 满鼠 萸摸电压信号电压+ 共模电压必程 须+ 1 2 v 2 4 v d c 电压范 2 0 4 v 一2 8 8 v 设置时间 1 0 0us 围电压输出 数据字格式 电流输出 2 m s 双极性，满量程 一3 2 0 0 0 3 2 0 0 0 译极性，满量程 0 耐3 2 0 0 0 最火驱动 d c 输入阻抗 l0 m q 电压输入 电压输出 5 0 0 0q 最 2 5 0 0 电流输入 电流输m 小 5 0 0 0q 最 大 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 3 2 模拟量扩展模块e m 2 3 5 在使用前的配置和校准 模拟量模块存接入 电路工作前需完成配置 和校准工作。配置和校准 的元件化置如幽4 3 所 小。本例的d i pj i ：关设 置为 表4 5模拟量模块的 图4 3可编程控制器s 7 2 0 0 外部接线图 d l p 丌关设置 单极性 满吊程分辨率 s w ls w 2s w 3s w 4s w 5s w 6 ( ) no f fo f f o f fo f fo no 5 v1 2 5 m v 校准的实质足渊整 图4 4 所示放人器的增 益，通过增益和偏移i u 位 器来实现。具体的校准步 骤如卜： 1 切断模块电源。使用 配雹开关选择需要 的输入范围 图4 4e m 2 3 5 模拟量输入输出原理 2 接通c p u 和模块电源，并稳定1 5 分钟。 3 用一个传感器，个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。 4 读出c p u 中测量值 5 调节偏移电位器，使读数为零或为一个所需要的数据值 6 将一个满度信号接入某个输入端，读取c p u 值 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 7 调节增益电位器，直到c p u 的读数为3 2 0 0 0 或所需要的数据值 4 3 3 利用e m 2 3 5 对压力和温度信号进行采集和处理的程序实现 1 程序框图 图4 5 模拟量处理程序框图 3 0 2 系统压力的测量和鼎示程序 n e t w o r k1 读压力传感器的压力值 则每单位数字量= 0 0 0 0 1 5 6 2 v 的电压值：刈丁a i w 0 和 a q w 0 ，肛5 v 的电压范围，有1 v = 6 4 0 0 数字量 选择0 1 0 m p a 的压力传感器，l 5 v 每v 电压= 2 5 m p a 压力 每m p a 胍力= 0 4 v 电雎 i ，ds m o 0 l t da l w o a c 0 鳍压力输入值，并转换为双整数 d t ra c o a c o r 6 4 0 0 0 a c 0 n e t w o r k2 l d r l ，0 m x = 一( f 巴+ m d )当计算输出m 。 0 0 式中m p 为第采样时刻的比例项值；。为第n 采样时刻的微分 nm d 项值，这样调整积分前值，一旦输出回到范围后，可以提高系统的 响应性能。而且积分项前值电要限制在0 0 1 0 之间，然后存每次 p i d 运算结束后，把积分项前值写入咽路表，以备在下次p d 运算 中使刚。 4 5 3 闭环压力p id 控制程序 见附录c 4 6 换向控制程序 4 6 1 程序实现的主要的功能 本模块主要足实现对液压换向滑阀的换向动作的控制。任自动模式下 按启动按钮后，按图示的过程动作，卜述过程直到按下停1 1 二按钮后结束。 这是一个典型的顺序控制过程，我们采用功能流程图法进行程序的设计。 换向电磁a 通电1 5 秒 换向电磁 阀a 断电 换向电磁阀 b 通电1 0 秒 图4 9 换向控制模块原理框图 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 4 6 2 功能流程图概述 功能流程图，简称功能图，又叫状态流程图或状态转移图。它足专 门用丁- i l kj p i 页序控制程序设计的一种功能说明性语言，能完整地描述控 制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序 的蕈要工具。 在中小型p l c 程