基于ARM的液压泵检测仪设计.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 4 ． 2 0 1 3 基于 A R M的液压泵检测仪设计 高立龙， 王新晴， 蒋文峰 ， 张红涛 解放军理工大学 ， 江苏 南京2 1 0 0 0 7 摘要 针对工程机械流动性大 、 液压 系统复杂 、 液压泵现场检测困难等情况。该文设计 了一种基于 AR M嵌入式系统的便携式液压泵检 测仪， 该检测仪以A R M1 1 类型处理器 3 C 6 4 1 0 A为核心， 设计了相应的信号整流电路、 光电隔离电路和友好的数据采集软件． 介绍了液 压泵现场检测的安装和检测方法 ， 实现 了液压泵参数的现场快速采集和性能曲线 的现场绘制 。 关键词 A R M； 液压泵 ； 容积效率 ； 工程机械 ； 特性曲线 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 04 0 0 6 1 0 3 De s i g n o f Hy d r a u l i c Pu mp De t e c t o r Ba s e d o n ARA V I G A0 L i l o n g ， W AN G Xi n q i n g ， J I A NG We n - f e n g ， Z H AN G Ho n g - t a o P L A U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai m a t t h e c o n d i t i o n s t h a t e n g i n e e ri n g ma c h i n e h a s b i g fl u i d i t y ，e n g i n e e rin g ma c h i n e h y d r a u l i c s y s t e m i s c o mp l e x a n d h y d r a u l i c p u mp d e t e c t i o n i s d i ffic u l t o n t h e s p o t ．T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a d e s i g n o f the p o r t a b l e h y d r a u l i c p u mp d e t e c t o r b ase d o n ARM e mb e d d e d s y s t e m． T h i s d e t e c t o r h a s S 3 C 6 4 1 0 A b ase d o n ARM1 1 as t h e c o r e p roc e s s o r , d e s i g n i n g s i gna l r e g u l a t e c i r c u i t ， p h o t o e l e c t ri c i s o l a t i n g c i r c u i t a n d f ri e n d l y d a t a a c q u i s i t i o n s o f t w a r e， i n t rod u c i n g t h e i n s t a l l a t i o n a n d t e s t me t h o d s o f h y d r a u l i c p u mp d e t e c t i o n ， r e ali z i n g t h e c o l l e c t i o n o f p u mp me t e r s a n d t h e h y d r a u l i c p u mp p e rfo r ma n c e t e s t o n t h e s p o t ． Ke y wo r d s ARM； h y d r a u l i c p u mp； v o l u me e ffic i e n c y； e n g i n e e ri n g ma c h i n e ； c h a r a c t e ri s t i c c u r v e 0 引言 液压泵是工程机械液压 系统的心脏 。 它将柴油机 、 电机等原动机的机械能转化为液压能 ，并通过液压油 传送到系统各处 ， 为系统提供动力。它的性能好坏将直 接影响到整个系统能否有效运行【 l 】 。如何实现液压泵现 场 的、 不解体 的、 快速的检测 ， 将成为当前工程技术人 员的首要任务。针对这一问题 ，本文设计了一种基于 A R M嵌入式系统的便携式液压泵检测仪。实验结果表 明，它能有效地实现液压泵的容积效率和特性曲线 的 现场检测 ， 具有很强的实用价值 。 1 硬件系统设计 本测试仪的硬件结构 主要共有六大部分组成 处 理器模块 、电源模块 、信号调理模块 、 A f D转换模块 、 L C D触摸屏显示模块 、 传感器模块。 1 ． 1 处理器模块 为满足仪器功耗小低 、 体积小 ， 便于携带 的要求 ， 本测试仪选用 S 3 C 6 4 1 0 A芯片作为处理器。 该芯片工作 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 2 5 作者简介 高立龙 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山东临沂人 ， 硕士研 究生 ， 研究方 向 机械 故障诊断与检测 。 频率最高可达 6 6 7 MHz ， 并集成了以下部件 双 L C D接 口、 4线 电阻触摸 屏接 口、标 准 D B 9五线 串 口、 U S B Ho s t 1 ． 1接 口、 4 0 p i n总线接 13、 3 0 p i n G P I O接 口、 8路 A ／ D通道 、 4个 U A R T通道 、 2个 I 2 C控制 器 、 5路 3 2 B i t P WM 和 1 个内部时钟控制器 、 P L L的片上时钟发生器 、 1 1 7个通用 I ／ O， 2 4路外部中断等 ，能够与常用的外 围 设备实现无缝连接。 1 ． 2电源模 块 本测试仪的处理器 内核工作电压是 1 ． 8 V， 储存器 、 L C D触 摸 屏 以及 A ／ D转 换 通 道接 口工作 电压 均 为 3 ． 3 V， 其他外围电路则使用 5 V电源。基于各模块供 电 电压 的不 同 ，设 备 采用 1 1 7系列低 压 直流 稳压 芯 片 将 5 V的直流供 电电源分别转为 1 ． 8 V和 3 ． 3 V。电源模块 电路设计时均采用电容滤波， 减少高频于扰 。电路图如 图 l 所示 。 1 ． 3信号调理模块 信号调理模块 主要由信号的放大 ， 隔离、 整流滤波 电路组成 ， 保证其传人 A ／ D转换模块的信号真实有效 。 设计 中可根据信号的特点选用合适的调理电路 。为测 试仪设计的单稳整流 电路[2 1 ， 如图 2所示。光电隔离电 路如 图 3所示 。 61 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 4期 CON4 _ L J “ - _ [ 卫14 2 - _ [ 卫1 4 3 卫t ／ 4 T D D5V I UI4 3 VDDI 8 V D 匪D5V 圈1 U4 3 VDD3 3V 图 1 电源模块原理图 图 2 单稳整流电路原理 图 转换器输入电压为 3 ． 3 V， 具有片上采样保持功能 ， 并支 持掉电模式 ， 最大工作 时钟为 5 MH z ， 最大转换速率可 达 1 Ms p s ．能够快速捕获 0 3 ． 3 V之间的模拟电压并将 其转换为 1 0 ／ 1 2位数字量 。 1 ． 5 L CD触摸屏模块 人机接 口 3 C 6 4 1 0 A支 持 黑 白 、 4级灰 度 、 1 6级 灰 度 、 2 5 6 色 、 6 4 K色 、 真彩色 T F T r液 晶屏 ， 屏幕分辨率 可以达到 1 0 2 4 7 6 8像素。本测试仪选用分辨率 6 4 0 x 4 8 0 ， 带触摸 屏的 4线电阻式真彩 L C D。 1 ． 6 传感器模块 传感器模块 的选择可根据所要采集的数据类型来 选择。本测试仪主要用于液压系统的压力 、 流量 、 温度 、 转速 的测量 ， 故采用 R E 4 6 0 0组合流量传感器 压力 、 流量 、 温度三位一体传感器 、 光 电转速测量表作 为传 感器模块 。 2 软件 系统设计 该检测仪的操作系统选用了 Wi n d o w s C E操作系 统 ， 该系统是微软开发的一个开放 的 、 可升级 的 3 2位 嵌入式系统[ 3 1 ， 具有模块化 、 结构化 和基于 Wi n 3 2的应 用程序接 口以及与处理器无关等特点。它继承 了传统 的 Wi n d o w s图形 界 面 ，用 户 不 仅 可 以使 用 V i s u a l ～． B a s i c 、 V i s u a l C 等编程工具， 也可使用同样的函数 ， 同 样 的界 面风 格 。本 测 试 仪 的 软 件 系 统 是 在 V i s u a l B a s i c环境下编译的。数据采集界面如图 4所示。 图 3光 电 隔 离 电 路 常用的信号隔离方式有光电隔离、变压器隔离、 继 电器隔离和布线隔离等。典型的信号隔离是光电隔离 ， 一 方面使干扰信号不得进入被隔离 电器 。 另一方面使被 隔离电器本身的噪声也不会以传导的方式传播出去。 图 3电路利用 了极少的元件 。采用模拟电路的原 理 ， 实现了信号 的隔离 ， 其精度优于 0 ． 2 0 ％。 该 电路是通 过调制 电路和解调电路实现信号隔离的 ，它与以往的 隔离电路完全不同 ，它不是把输 出信号反馈给输入信 号进行调整 ，而是利用调制 电路产生一个脉宽与输入 信号成某一 比例的方波 ， 将方波利用光耦隔离 ， 再利用 与输入调制电路完全相同的解调电路进行解调 ，得到 与输入信号完全成正 比例的信号 。 1 ． 4 A ／ D转换模块 S 3 C 6 4 1 0 A芯片内部集成 了 8通道模拟输入的 l 0 ／ l 2位 A ／ D转换通道 ， 其中四路供 L C D触摸屏使用。该 62 图 4检 测 仪 数 据 采 集 界 面 3 液压泵的现场检测方法 3 ． 1 某高速挖掘机变量泵容积效率的简易检测 容积效率表示液压泵抵抗泄漏 的能力 ， 等于泵的实 际流量与泵的理论流量之比。 工程机械液压系统的效率 主要取决于液压泵的容积效率。 当液压泵的容积效率低 于正常值时 ， 表示液压泵泄漏严重 ， 需及时修理问 。现简 要介绍变量泵容积效率的检测方法 。 1 设备安装过程 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N O ．0 4 ． 2 01 3 1 在泵的出口处串联组合 R E 4 6 0 0流量传感器 ， 如图 5所示 ； 图 5传 感 器 安 装 原 理 图 2 启动发动机和液压系统， 检查安装状况是否良好。 2 检测操作过程 1 在确保安装无误后 ， 操纵挖斗手柄 ， 空负载运 行一段时间排出油液中的空气 ， 设定发动机 的转速 ， 在 1 0 0 0 r ／ mi n以上 2 操纵挖斗手柄 ， 使挖斗伸 出到最大位置 ， 记 录 此时液压系统的压力 、 流量以及液压泵的转速； 3 操纵挖斗手柄 ， 使挖斗伸 出到最大位置 ， 记 录 此时液压系统的压力、 流量以及液压泵的转速 ； 4 计算所测排量 ， 计算方法为 排量 mE ／ r 流量 L ／ mi n ／ 转速x l 0 0 0 ， 与泵的标准排量进行对比， 评估泵 性能的好坏 。 对 于高速挖 掘机在 3 0 MP a压力 时单泵 的排量 为 5 7 m L ／ r ，实际排量与标准排量的比值为 r ， r 实际排量， 5 7 。当 r 9 0 ％时， 泵为优秀， 9 0 ％ r 8 0 ％时为 良好 ， 8 0 ％ r 7 0 ％为合格 ， r 7 0 ％时则需要修理。 3 ． 2 某高速挖掘机主泵特性曲线的检测与绘制 1 设备安装过程 1 在泵的出 口串联组合 R E 4 6 0 0流量传感器 同 容积效率简易检测方法 ； 2 卸掉挖斗液压缸的进 出油 口接头 ， 把节流截止 阀串联在挖斗的进出油 口处 ， 将节流截止阀完全打开 。 安装示意图如图 6 所示 ； 挖 斗 液 压 缸 图 6 挖斗液压缸原油路连接 示意 图 3 启动发动机， 检查安装状况是否 良好 。 2 检测绘制过程 1 在确保安装无误后 ， 操纵挖斗手柄 ， 空负载运 行一段时间排 出油液 中的空气 ， 设定发动机 的转速 ， 在 1 0 0 0 r ／ mi n以上 。 2 通过调节节流截止 阀开 口大小来 改变油液压 力。将节流截止阀完全打开 ， 记录压力 、 流量和转速 ； 逐 步减小节流截止 阀开 口， 使压力逐渐增大 。 记录压力 、 流量 和转速 ，测得多组数据 ，直到节流截止阀完全关 闭。绘制泵 的压力与排量 曲线图，与标准曲线进行对 比， 进行泵性能好坏的评估 ， 其 中排量 m L ／ r 流量 L ／ mi n ／ 转 速x l 0 0 0 。 图 7变 量 液 压 泵 的 特 性 曲 线 4结 论 目前此检测仪 已研制成功并经过现场测试 ，测试 结果表 明， 该检测仪能够简易、 快速地进行液压泵容积 效率和特性 曲线的现场检测 ，为液压系统的故 障诊断 与检修提供依据。它具有操作简单 、 灵活机动 、 便于携 带、 造价低廉等特点 ， 非常适合工程机械液压系统 的现 场不解体检修 ， 具有很强的实用性。 参 考 文 献 ⋯ 1 朱发新 ， 林少 芬 ， 龚雅 萍 ， 等 ． 工程机械液 压系统性能 试验 台 中的液 压泵动态性能试验研究【 J 】 ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 47 -4 9． 【 2 】 张 向前 ， 王新晴 ， 陈雄 ， 等． 提高 P L C输 出信号质量 的技术研 究 『J 】 ． 现代制造工程 ， 2 0 0 7 ， 6 1 2 4 1 2 5 ． [ 3 】 刘洪 涛． A R M嵌 入式体系结构 与接 口技 术【 M】 ． 北京 人 民邮 电出版社 ． 2 0 0 9 ． [ 4 ] 范立云 ， 宋恩哲 ， 李文辉． 电控组合泵低压系统压力动态特性 研究[ J ] ． 内燃机学报 ， 2 0 1 0 ， 2 8 2 1 4 7 1 5 4 ． 【 5 】 郦呜阳 ， 王国雄． S G Y C I 型低压微泄漏检测 仪【 J ] ． 液压气动 与密封， 1 9 9 4 ， 2 ． 『 6 ] 王 淑莲， 等． 超 声波非接触 检测液压 系统压力 的辨识 与仿真 研 究[ J 】 ． 液压气动与密封，2 0 0 1 ， 1 ．