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基于FPGA的履带起重机力矩限制器技术研究

2020-11-30阅读(916)

基于FPGA的履带起重机力矩限制器技术研究

论文摘要

履带起重机是广泛应用在化工建设、市政建设、建筑施王和港口码头等国民经济各领域的一种流动式起重设备。随着履带起重机起升吨位的增大,安全方面需要考虑的内容越来越复杂,尤其是增加了超起工况之后,对整个履带起重机的状态监控和准确控制提出了更高的要求。本文以大连理工大学机械工程学院开发的一系列履带起重机实际项目为背景,对其力矩限制器的技术方面进行研究。（1）对履带起重机力矩限制器的应用技术做深入分析,尤其是关于超起工况方面的研究,本文引进载荷率的概念,以载荷率作为依据,控制起重机的机构动作,保证整车的安全。（2）针对履带起重机力矩限制器的数据采集部分和输出驱动部分的特点,设计了FPGA实现的总体设计方法,应用Altera公司的NIOS II软核技术,采用软核实现CPU功能,应用AVALON总线技术将其他外设做系统集成,连接不同功能的芯片实现履带起重机力矩限制器的嵌入式系统硬件设计。（3）设计了以NIOS II软核为核心的嵌入式系统,使用SOPC builder将SDRAM、FLASH等部分集成起来,在Quartus II中编译后,在EP1C12的平台上完成了测试。（4）依照履带起重机力矩限制器的控制思路完成了系统的软件设计,设计中采用了嵌入式操作系统μc/os-Ⅱ,确保了软件的可靠性。（5）本文采用成熟的显示器,完成了界面设计和CAN通讯设计。本文分析了履带起重机力矩限制器的关键技术,就超起工况的控制方法和工程机械广泛使用的CAN通讯部分做了深入研究,运用新兴的软核技术,完成了系统设计,在试验室对核心部分进行了测试,完成了与显示器的CAN通信。该项研究填补了FPGA在工程机械起重设备领域的应用空白,为国内履带起重机力矩限制器的设计提供了一种可借鉴的方法。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 课题的研究背景
  • 1.2 FPGA的发展历程
  • 1.3 履带起重机力矩限制器研究现状
  • 1.3.1 国内研究现状
  • 1.3.2 国外研究现状
  • 1.4 FPGA在履带起重机力矩限制器中的研究现状
  • 1.5 本文的研究内容
  • 2 履带起重机力矩限制器的技术研究
  • 2.1 履带起重机的结构介绍
  • 2.1.1 履带起重机基本臂工况的结构组成
  • 2.1.2 履带起重机超起工况的结构组成
  • 2.2 力矩限制器的工作原理
  • 2.3 力矩限制器的取力方法研究
  • 2.3.1 三滑轮取力
  • 2.3.2 绳头取力
  • 2.3.3 变幅取力
  • 2.4 力矩限制器的工况变换
  • 2.5 超起工况的控制方法
  • 2.5.1 载荷率的定义
  • 2.5.2 超起安全逻辑
  • 2.6 本章小结
  • 3 履带起重机力矩限制器总体设计
  • 3.1 履带起重机力矩限制器传感器布置
  • 3.1.1 力传感器的布置
  • 3.1.2 角度传感器的布置
  • 3.2 履带起重机力矩限制器传感器选型
  • 3.2.1 力传感器的选型
  • 3.2.2 角度传感器的选型
  • 3.3 力矩限制器主机的总体架构
  • 3.4 力矩限制器显示器
  • 3.5 本章小结
  • 4 力矩限制器主机硬件设计
  • 4.1 硬件设计原则
  • 4.2 信号量统计
  • 4.3 核心部分设计
  • 4.3.1 Avalon总线介绍
  • 4.3.2 FPGA比较
  • 4.3.3 定制NIOS II
  • 4.3.4 设置SDRAM
  • 4.3.5 设置CFI Flash
  • 4.3.6 CAN接口设计
  • 4.3.7 I2C接口设计
  • 4.3.8 PWM接口设计
  • 4.3.9 系统顶层模型
  • 4.4 硬件电路设计
  • 4.4.1 电源部分
  • 4.4.2 模拟量输入
  • 4.4.3 数字量输出
  • 4.4.4 通信部分
  • 4.4.5 实时时钟
  • 4.5 本章小结
  • 5 力矩限制器主机软件设计
  • 5.1 μc/os-II操作系统介绍
  • 5.1.1 μc/os-II内核
  • 5.1.2 μc/os-II移植
  • 5.2 NIOS II起动过程分析
  • 5.2.1 EPCS Flash起动
  • 5.2.2 CFI Flash起动
  • 5.3 HAL的项目架构
  • 5.4 外设驱动设计
  • 5.4.1 CAN总线的驱动设计
  • 5.4.2 I2C总线的驱动设计
  • 5.5 应用程序设计
  • 5.5.1 任务划分
  • 5.5.2 任务实现
  • 5.5.3 程序调试
  • 5.6 本章小结
  • 6 人机界面
  • 6.1 编程环境介绍
  • 6.2 界面设计
  • 6.3 触摸屏编程
  • 6.3.1 触摸屏工作原理
  • 6.3.2 触摸屏编程方法
  • 6.4 CAN通信设计
  • 6.5 界面效果
  • 6.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 附录 A 缩略语索引
  • 附录 B 主臂工况数据处理程序
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢

    • 相关论文文献

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