基于CAN總線的數字液壓伺服控制器的設計

摘 要：針對鐵路隧道施工中襯砌的作業需求，采用多個基于CAN總線結構的數字液壓伺服控制單元，設計了一種可以搭載不同作業工具的電液伺服機器人。其中數字伺服控制單元基于FreeRTOS實時操作系統，通過CAN總線與主控單元進行數據通信，采用改進型分段無超調PID控制方法，實現了液壓馬達位置的精確控制，保證了該液壓伺服控制系統工作的可靠性和穩定性。通過負載試驗驗證，該系統具有位置控制精度高、速度響應快的特點。

關鍵詞：CAN總線；數字液壓伺服；PID；位置控制

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

0 引言

據統計，截止2020年底，我國鐵路運營總里程14.5萬km，投入運營鐵路隧道16 798座，另有在建鐵路隧道2 746座，總里程約6 083 km，規劃鐵路隧道共6 345座，總里程約16 255 km[1]。

隨著技術發展，隧道建設現場的“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，進行了高鐵鐵路建設的智能化試點，各型智能化施工臺車、工法得到了廣泛應用[2]。有效減少勞動力投入，提升隧道作業裝備的智能化水平成為了當前鐵路建設的研究重點。

高鐵隧道襯砌施工過程中，由于不同模板結合處需要預留施工縫、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器人系統”的研制工作[5]，通過一段時間的使用反饋，并結合隧道施工現場的作業條件、實際工況，擬開發一種采用電液伺服控制的特種機器人進行隧道襯砌的后期處理，以提高隧道襯砌施工設備的智能化水平。

1 系統結構

1.1 電液伺服機器人總體結構

為保證該電液伺服機器人在隧道作業中的機動性和靈活性，將該裝備搭載在一個可移動的電動臺車上。

整個系統包含以下4個部分：①5軸數字液壓伺服控制系統。每個控制單元由獨立的液壓伺服控制器進行控制，每個控制器與主控系統之間采用高速CAN（Cont roller Area Network）總線協議進行數據信息傳遞。各軸通過接收主控系統發送的位置和速度信息進行運動，完成機器人在隧道拱頂和邊墻的運動軌跡合成，滿足該設備不同作業要求下的路徑運動。②主控制器。其采用工控PC搭載著運行控制軟件、隧道掃描建模軟件、運行軌跡生成軟件、各軸運動參數解析軟件、系統安全監控軟件。③機器人作業工具系統。系統可以配置三維掃描建模工具、隧道二襯結合縫切邊工具、隧道排水槽開槽工具、隧道維護鑿毛工具、隧道維護鎖緊錨桿鉆鑿工具、隧道維護鋼筋網片掛接及噴漿工具等多種作業工具，可滿足不同作業需求。④可移動電動臺車。根據施工現場工狀，分別配置輪式電動臺車和拖掛式軌道平板車。

1.2 數字液壓伺服控制系統結構

根據電液伺服機器人的系統結構，其中5個運動軸采用分布式控制模式。在運行過程中，由主控制器實時分發各軸的運行速度V和角度θ信息，各軸數字液壓伺服控制單元接收到控制信息后，由其獨立完成相應軸的速度和角度控制，其單元結構如圖1所示。

伺服控制單元采用具備CAN總線接口的國產32位高性能嵌入式芯片STC32G進行設計。該芯片具備兩路高速CAN總線接口，內置高速A/D和PWM模塊，內部主頻可達48 MHz，采用1時鐘控制模式，可以移植運行FreeRTOS實時操作系統，滿足分布式控制的實時性要求。

1.3 數字液壓伺服控制系統傳遞函數

在圖1所示的控制結構圖中，伺服放大器、伺服閥、液壓馬達及液壓臂負載構成了數字液壓伺服控制系統的動力單元[6-7]，為簡化控制邏輯，忽略了液壓伺服閥的動態特性，簡化為比例環節因子KSV，采用PID反饋控制，其角度控制傳遞函數框圖如圖2所示。

通過分析圖2的控制關系，可以推導出該系統的開環傳遞函數如式（1）所示。

2 數字液壓伺服控制器設計

2.1 硬件系統設計

2.1.1 CAN總線設計

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實現CAN總線的隔離驅動。此模式下，可以連接最多32個CAN通信節點，通信速度可達5 Mbps，支持標準的CANopen協議棧。同時該通信接口溫度范圍達到-40～105℃，完全滿足本設備的工作環境要求。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計

STC32G沒有專門的D/A轉換器，但可以采用其高精度PWM控制器輸出信號進行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計

系統采用STC32G內部的16位A/D轉換器來處理液壓缸角度傳感器反饋的實時角度信息。液壓缸位置傳感器采用0～20 mA差分電流信號輸出模式，經差分電路后利用芯片內部的A/D轉換器實時處理當前的位置信息，其電路如圖5所示。

2.2 軟件系統設計

2.2.1 控制軟件組成

系統控制軟件主要包含系統初始化程序模塊，FreeRTOS實時操作系統初始化、任務創建/實時調度管理模塊，CANopen通信數據收/發模塊、數字伺服液壓馬達位置控制模塊等組成。

為保證CAN總線數據通信實時性，提升控制系統控制精度，在STC32G芯片上移植運行FreeRTOS實時操作系統，保證采用CANopen協議時，響應時間達到1 ms。主要控制軟件模塊如圖6所示。

2.2.2 FreeRTOS實時操作系統移植

為提升系統實時性能，保證總線式液壓伺服控制器的快速響應，在STC32G芯片上移植了FreeRTOS實時操作系統。該操作系統免費且開源，移植過程中主要注意以下問題：①選擇芯片的定時器用于系統的調度時鐘；②各項任務調度及地址設定；③CANopen協議棧。

2.2.3 數字伺服液壓馬達位置控制軟件

基于圖2所描述的系統框圖，采用改進型分段無超調PID控制方法，設計了位置控制算法，采用自學習方式進行最佳控制參數尋優。其控制策略主要包含：①根據誤差值情況，進行分段PID參數配置。②設計自學習PID參數搜索算法，保證不同負載條件下的控制精度及響應速度。③為保證無過沖現象，設定無超調輸出門限。

3 電液伺服系統搭建及試驗測試

3.1 上位機及測試界面

采用工控PLC結合觸屏搭建上位機測試界面。其中PLC通過CANopen總線向數字伺服控制器發送設定的角度信息。觸摸屏用于設定PID參數、目標角度、速度等相關信息，并實時顯示伺服馬達的位置數據，直觀展示系統的參數調節控制性能。

3.2 數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實時操作系統的控制器。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。③負載加載裝置（最大加載質量可達2 000 kg）。

3.3 性能測試

在測試裝置上，分別進行了空載特性和1 800 kg負載（加載點位于距旋轉中心2 m處）加載測試，測試結果如圖7所示。

通過以上試驗測試，說明該數字液壓伺服控制單元能夠實現任意角度的精確定位控制，響應速度快、無超調，在1 800 kg負載情況下控制精度優于0.05°，運行速度可達360°/min，能夠滿足電液伺服機器人的設計需求。

4 結束語

采用CAN總線結構，基于FreeRTOS實時操作系統，采用改進型分段無超調PID控制方法的數字液壓伺服控制器實現了液壓馬達的精確角度控制，其控制精度高、響應速度快，為機器人液壓伺服系統的集成提供了技術保障。經測試采用該控制方法的多軸電液伺服機器人，其位移運動速度可達5 m/min，旋轉速度可達360°/min，末端運動軌跡重復定位精度可達±5 mm，后續將進一步提升該伺服控制器的控制精度、響應速度和穩定性，并在其他液壓伺服控制系統中推廣應用。

參考文獻

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

[2] 田四明，王偉，鞏江峰.中國鐵路隧道發展與展望（含截至2020年底中國鐵路隧道統計數據）[J].隧道建設（中英文），2021，41（2）：308-325.

[3] 蘇輝，申雪松.高速鐵路隧道二襯環向施工縫預留弧形倒角施工技術研究[J].工程技術研究，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計及應用技術[J].鐵道建筑技術，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器人系統研制與應用[J].現代隧道技術，2021，58（5）：221-226+236.

[6] 武曉峰.連續回轉電液伺服馬達性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[7] 王曉晶，邵俊鵬，姜繼海，等.連續回轉馬達電液伺服系統辨識及控制[J].哈爾濱工程大學學報，2011，32（8）：1045-1051.