一种电传控制挖掘机三余度软件控制系统技术方案

挖掘机电传控制系统基于一种电传控制挖掘机三余度软件控制系统，使用中央控制器和多路阀、电磁阀等执行部件协作的方式实现对机械的操作。本专利针对电传智能挖掘机提出一种三余度软件控制系统，将驾驶员的操作全部转换成电信号经控制器处理进而控制整个机械传动部件，实现将挖掘机的数字化、信息化、智能化。驾驶员操作指令传感器、电控多路阀采用两余度，负载压力传感器和控制电磁阀等采用无余度配置。软件系统内部模块的关系见摘要附图，通过冗余控制实现对挖掘机的电传操作，同时提高安全性和鲁棒性，达到一次故障可继续工作的目的。

A telex control technologies of software control system of excavator

Excavator telex control system based on a telex control triplexed excavator control system software, the use of a central controller and multi valve, solenoid valve actuator cooperation way for the realization of the operation of a machine. This patent for telex intelligent excavator presents a control system of triple redundancy software, driver's operation are converted into electrical signals and control all the mechanical parts of the controller, to achieve the digital information and intelligent excavator. The driver operating instructions, control valve sensor with more than two degrees, load pressure sensor and a control solenoid valve with no redundancy configuration. The relationship between the internal modules of the software system is described in the abstract, and the operation of the excavator is realized by redundant control, and the safety and robustness are improved, so as to achieve the purpose of continuous operation of a fault.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于挖掘机电传控制技术，具体涉及一种基于三余度冗余控制方案的挖掘机软件控制系统。
技术介绍
挖掘机电传控制系统基于一种新型的挖掘机控制系统，使用中央控制器和多路阀、电磁阀等执行部件协作的方式实现对机械的操作。驾驶员操作控制手柄、行走踏板时产生的是电信号，电信号通过中央控制器的计算产生出控制液压电磁阀的控制指令，在控制末端由液压电磁阀实现对相关传动部件的驱动，进而完成对整机的操作。基于电传信号的控制，即可完成传统挖掘机的相关功能，又兼具有信息化、自动化等控制特点。通过相关通信链路，可实现无人操控或远程操控，通过连接电控发动机、控制终端等分系统，可实现对整机的一体化控制。在工况恶劣的情况下，可靠性、鲁棒性、可维护性等需求对挖掘机电传控制系统也提出了新的要求。
技术实现思路
本专利针对电传智能挖掘机需求设计一种三余度软件控制系统，将驾驶员的操作全部转换成电信号经控制器处理进而控制整个机械传动部件，实现将挖掘机的数字化、信息化、智能化。驾驶员操作指令传感器、电控多路阀采用两余度，负载压力传感器和控制电磁阀等采用无余度配置。系统各组成单元的余度数，以及系统各单元间的余度结构配置见下表。通过冗余控制实现对挖掘机的电传操作，同时提高安全性和鲁棒性，达到一次故障可继续工作的目的。本专利技术采取的技术方案为：一种电传控制挖掘机三余度软件控制系统，其特征在于，包括输入输出处理模块，同步与交叉传输模块，余度管理监控模块，表决与信号处理，状态与故障申报模块，控制律模块，主备切换逻辑模块，维护与BIT模块；其中，输入输出处理模块完成硬件信号和外部输入的采集，需要使用输入信号的模块有：同步与交叉传输模块、余度管理监控模块、表决与信号处理模块、状态与故障申报模块、维护与BIT模块，输出功能是将主备切换逻辑模块、控制律、状态与故障申报模块的结果输出到硬件；同步与交叉传输模块通过输入输出硬件信号完成三个余度执行步骤的同步操作，使每个余度上软件的运行处于一致状态，通过CAN总线交叉传输完成余度数据的传输，使每个余度上都包含其他余度的最新数据，同步结果发送至余度管理监控模块供监控使用；余度管理监控模块实现输入信号、同步结果的监控，监控信号是否处于有效状态，将信号故障字送至表决与信号处理作为参考，将故障状态送至主备切换逻辑模块，系统故障状态送至状态与故障申报模块；表决与信号处理模块实现三余度信号的表决，输入来自余度管理监控、输入输出处理模块；状态与故障申报模块将系统运行状态和运行过程中存在的故障信息进行实时输出，通过外接显示屏、手持终端显示给用户，输入来自表决与信号处理、余度管理监控、输入输出处理三个模块，GPS数据、综显显示、系统状态数据等经输入输出处理模块实现上传；控制律模块，控制律计算基于余度表决出来的正确信号，用于将用户对手柄等设备的操作电信号请求转换成对应的电磁阀控制命令，进而实现对挖掘机大臂、小臂等部件的控制，输入来自表决与信号处理，计算结果经安全性处理后通过输入输出处理模块进行输出；主备切换逻辑模块，当余度表决与监控发现主工作通道存在异常时通过主备切换逻辑完成主工作通道的切换，使原来的备工作通道完成主要的输出控制功能，输入来自余度管理监控模块，通过输入输出处理模块将通道切换信号送至硬件；维护与BIT模块，完成挖掘机控制器内部信号的测试、检测功能，通过输入输出处理模块接收远程的维护命令，执行结果经状态与故障申报模块实现输出。本专利技术采用三余度配置，分别为三个通道，电控软件分别运行在三个处理器上，按照主、备、监控三种角色分别执行相应的功能。各余度分别完成挖掘机各部件传感器信号的采集、交叉数据传输、信号表决和监控、主备通道切换等功能，但是同一时刻只有一个余度(主通道)能够通过信号输出完成对挖掘机的电磁阀执行部件的控制，其他余度(备通道、监控通道)完成信号表决和监控。每个通道内按执行任务的频率划分不同的运行周期，伺服控制任务完成铲斗、回转、大臂等阀位移命令的闭环控制，处理运行周期为1ms，伺服阀回路监控完成阀电流的监控，处理运行周期为5ms，余度表决和主控制律计算为50ms。本方案的创新点如下：1、核心创新点，采用三余度软件控制，分别以主工作通道、备工作通道、监控工作通道的方式运行，实现运行过程中的状态监控和主备工作通道切换，提升系统的安全性和鲁棒性，使系统在其中一个通道出现问题时仍然能够继续工作。2、次要创新点1，内置上电自测试功能(PUBIT)，通过上电自检，分析系统各部件的工作状态，实现对系统自身运行状态的检测，利于系统维护。3、次要创新点2，包含信号表决与处理功能，实现对电器二余度或三余度信号的表决，去掉出现问题或异常的信号，使系统可以在故障情况下利于冗余配置的优点继续工作。4、次要创新点3，包含主备工作逻辑切换功能，在主工作通道出现问题时，可以自动实现主备工作通道的切换，由备工作通道接管对系统的控制，使系统继续工作，另外在上电启动时，自动实现主备工作通道的转换工作，使两个工作通道在正常情况下轮流对系统进行控制，避免其中一个通道长期使用造成的系统损耗不一致的情况。5，次要创新点4，支持遥控和本地控制的实时切换，既可以通过远程终端实现对机器的操作，也能实时切换回驾驶室将操作权限返回给驾驶员，在工况较差、较危险的情况下，提高了操作人员的安全性。本专利技术具有的优点和有益效果：三余度挖掘机电传控制系统通过冗余控制和系统状态的监控提高系统的可靠性和鲁棒性，电传控制也使系统能够实现操作过程的信息化、自动化，可以有力支持智能控制和多机协同等新的应用场景。附图说明图1三余度挖掘机电传控制系统连接；图2三余度挖掘机电传控制软件结构；图3输入接口管理调度示意图；图4输出接口管理调度示意图；图5控制律功能数据流；图6余度表决与监控功能管理调度；具体实施方式下面介绍基于MPC5644A处理器的电控挖掘机三余度软件控制系统。其中系统离散量信号采集通过GPIO模块，模拟量信号采集通过eQADC模块，PWM输出通过eTPU模块。软件系统与外部的连接关系见图1，技术方案中输入输出信号与软件内部模块之间的关系见图2。步骤1)：系统上电初始化，系统时钟配置为120MHz，使各传感器信号和余度管理、系统监控等状态为默认安全状态，同时完成各周期任务的注册和初始化，完成三余度的同步，使各通道处于一致的运行状态，然后进入周期任务；步骤2)：1ms伺服任务处理过程是：(1)输入信号处理，完成电磁阀线位移传感器信号采集、力马达电流、泵斜盘电流和泵斜盘位置传感器信号采集；(2)获取主控制律计算出的多路阀力马达驱动指令、泵斜盘驱动电流指令；(3)调用伺服控制律进行控制计算；(4)输出信号处理，获取铲斗、回转、大臂等阀对应的力马达控制信号并通过PWM输出，获取泵斜盘控制信号并通过PWM输出，完成伺服的闭环控制。其中1ms、5ms、50ms输入输出信号的处理流程见图3、图4。输入信号、输出信号与控制律模块的数据流关系见图5.步骤3)：5ms任务处理主要是完成电控多路阀伺服回路监控和液压泵伺服回路监控功能。电控多路阀伺服回路监控主要包含DDV2位置反馈传感器和值监控、力马达电流监控、阀芯位置模型监控、电磁阀电流监控、伺服综合逻辑、电控多路阀的复位逻辑、电控多路阀伺服主/备本文档来自技高网...

【技术保护点】
自表决与信号处理、余度管理监控、输入输出处理三个模块，GPS数据、综显显示、系统状态数据等经输入输出处理模块实现上传；控制律模块，控制律计算基于余度表决出来的正确信号，用于将用户对手柄等设备的操作电信号请求转换成对应的电磁阀控制命令，进而实现对挖掘机大臂、小臂等部件的控制，输入来自表决与信号处理，计算结果经安全性处理后通过输入输出处理模块进行输出；主备切换逻辑模块，当余度表决与监控发现主工作通道存在异常时通过主备切换逻辑完成主工作通道的切换，使原来的备工作通道完成主要的输出控制功能，输入来自余度管理监控模块，通过输入输出处理模块将通道切换信号送至硬件；维护与BIT模块，完成挖掘机控制器内部信号的测试、检测等功能，通过输入输出处理模块接收远程的维护命令，执行结果经状态与故障申报模块实现输出。

【技术特征摘要】
1.自表决与信号处理、余度管理监控、输入输出处理三个模块，GPS数据、综显显示、系统状态数据等经输入输出处理模块实现上传；控制律模块，控制律计算基于余度表决出来的正确信号，用于将用户对手柄等设备的操作电信号请求转换成对应的电磁阀控制命令，进而实现对挖掘机大臂、小臂等部件的控制，输入来自表决与信号处理，计算结果经安全性处理后通过输入输出处理模块进行输...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗星原，徐建军，杜林，马瑞，武晓光，姚龙辉，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61