蔡鐘山,張認(rèn)成,楊建紅

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

嵌入式微處理器的瀝青砂漿車(chē)液壓調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔡鐘山,張認(rèn)成,楊建紅

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

設(shè)計(jì)一種基于嵌入式微處理器的瀝青砂漿車(chē)液壓自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng).其檢測(cè)裝置采用雙軸水平傳感器(角度傳感器),控制器采用飛利浦的LPC2114微處理器,執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用閥控液壓缸.嵌入式微處理器LPC2114采用兩點(diǎn)調(diào)平的算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青砂漿車(chē)的液壓自動(dòng)調(diào)平.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用兩點(diǎn)調(diào)平的方法,在調(diào)平精度為±0.2°的前提下,調(diào)平效率高、穩(wěn)定性好.

兩點(diǎn)調(diào)平;嵌入式;微處理器;液壓自動(dòng)調(diào)平;瀝青砂漿車(chē)

瀝青砂漿車(chē)攪拌平臺(tái)上都裝有添加料自動(dòng)稱(chēng)量系統(tǒng),如果攪拌平臺(tái)不水平,將導(dǎo)致稱(chēng)量系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行精確計(jì)量,高速鐵路無(wú)渣軌道的質(zhì)量也得不到保證.因此,研究一種快速、準(zhǔn)確、安全的砂漿車(chē)調(diào)平系統(tǒng)是十分必要的[1-2].傳統(tǒng)的調(diào)平方式主要是通過(guò)水準(zhǔn)儀來(lái)檢查平臺(tái)的水平狀態(tài).它采用多點(diǎn)調(diào)整方式,依靠人工作業(yè)完成,耗時(shí)長(zhǎng)且調(diào)平精度差.目前,工業(yè)上用得較多的調(diào)平方式主要是基于可編程控制器(PLC)和單片機(jī)的液壓調(diào)平系統(tǒng).PLC在工業(yè)上應(yīng)用廣泛、編程簡(jiǎn)單,但選用PLC為處理器將導(dǎo)致系統(tǒng)的成本增加,且PLC對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算等一些復(fù)雜算法的編程實(shí)現(xiàn)較為困難;而單片機(jī)雖然價(jià)格低廉,但其抗干擾能力差,不適合工業(yè)上的應(yīng)用[3].針對(duì)瀝青砂漿車(chē)在高速鐵路上作業(yè)過(guò)程中對(duì)攪拌平臺(tái)水平度的要求,本文提出一種成本低、穩(wěn)定性好的基于嵌入式微處理器的瀝青砂漿車(chē)液壓自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng).

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 調(diào)平系統(tǒng)整體框架Fig.1 Framework of leveling system

1.1 整體構(gòu)架

調(diào)平系統(tǒng)的整體框架,如圖1所示.系統(tǒng)主要由檢測(cè)裝置、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成.其中:檢測(cè)裝置是采用雙軸水平傳感器(角度傳感器);控制器采用飛利浦的LPC2114微處理器;執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用閥控液壓缸.

使用LPC2114微處理器的2路A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)角度值進(jìn)行檢測(cè),利用UART1與PC機(jī)進(jìn)行串口通信,將角度值通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存,通過(guò)4路的PWM輸出;經(jīng)過(guò)低通濾波電路輸出模擬電壓值[4],通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大后對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制.

系統(tǒng)選擇的A T201-SIA-EGOT系列傾角傳感器是4～20 m A的雙軸電流輸出傾角,綜合考慮調(diào)平精度,選擇其調(diào)平量程為-8°～+8°.它適合靜態(tài)和慢速變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量,不適用于快速變化的動(dòng)態(tài)測(cè)量,所測(cè)量的載體水平或者俯仰角度變化速度在5°·s-1以下的效果良好,而超過(guò)10°·s-1會(huì)產(chǎn)生角度輸出失準(zhǔn)的情況[2].

系統(tǒng)的控制平臺(tái)主要由液壓系統(tǒng)組成,4個(gè)帶有自鎖功能的液壓支腿為執(zhí)行機(jī)構(gòu)——液壓缸.其升降由對(duì)應(yīng)的比例電磁閥控制的,微處理器輸出模擬量給比例電磁閥,以控制比例電磁閥的開(kāi)度,從而控制液壓缸的升降,實(shí)現(xiàn)砂漿車(chē)的調(diào)平.

1.2 控制電路

控制電路主要包括信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理電路.信號(hào)轉(zhuǎn)換電路通過(guò)一個(gè)100Ω的精密電阻將從傾角傳感器采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),并作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào).為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,信號(hào)調(diào)理電路采用兩級(jí)放大電路,一級(jí)放大使用OP07芯片,將電壓放大到0～10 V之間,然后采用型號(hào)為YKGR-D Y18的比例放大器進(jìn)行二級(jí)放大,將0～10 V的電壓放大到6～18 V用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu).

2 調(diào)平算法的選擇

調(diào)平目標(biāo)是使平臺(tái)的角度參數(shù)α和β的絕對(duì)值小于1個(gè)預(yù)置精度S′,即要求|α|

一點(diǎn)調(diào)平理論上可以很好實(shí)現(xiàn)兩個(gè)水平方向的耦合,精度較高.但在實(shí)際應(yīng)用中,其最低點(diǎn)與最高點(diǎn)的高度差以及由高度差推導(dǎo)出最低退升高時(shí)間都難以精確得到,從而導(dǎo)致在調(diào)平過(guò)程中出現(xiàn)調(diào)平的不精確性.當(dāng)系統(tǒng)控制不當(dāng)時(shí)有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致砂漿車(chē)的傾斜,嚴(yán)重時(shí)甚至翻車(chē),即穩(wěn)定性不夠;當(dāng)要求分別實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)方向不同角度精度時(shí),一點(diǎn)調(diào)平也很難滿(mǎn)足,且調(diào)平時(shí)間長(zhǎng).

兩點(diǎn)調(diào)平是采用“先Y后X”的調(diào)平策略.即在水平角度滿(mǎn)足調(diào)平范圍的前提下,首先對(duì)Y方向進(jìn)行調(diào)平,滿(mǎn)足|β|

三點(diǎn)調(diào)平采用實(shí)時(shí)比例跟蹤調(diào)平方法.即在每次跟蹤周期內(nèi)進(jìn)行逐次逼近,可以實(shí)現(xiàn)解耦[6].但其跟蹤周期的大小很難控制,沒(méi)有理論的支持,只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置,不同的水平角度的跟蹤周期不一致,調(diào)平過(guò)程中也容易引起過(guò)調(diào),即調(diào)平時(shí)間長(zhǎng).

通過(guò)幾種調(diào)平方法的比較并綜合考慮各自的優(yōu)缺點(diǎn),最終系統(tǒng)選擇兩點(diǎn)調(diào)平算法[7].

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 調(diào)平實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Table of the leveling experimental data on PLC

選取角度值滿(mǎn)足α>0,β<0,設(shè)置初始傾斜角度在2°～3°,設(shè)定調(diào)平精度S′為0.3°,采用 PLC, ARM(Advanced RISC Machines)處理器經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)調(diào)平,分別進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn).分別選取3組不同初始角度的α,β值,其初始條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如表1,圖2所示.表1中:α0,β0為實(shí)驗(yàn)初始角度;αl,βl為調(diào)平后角度;t為調(diào)平時(shí)間.

從圖2可知,在平臺(tái)初始角度基本一致的前提下,采用ARM微處理器進(jìn)行兩點(diǎn)調(diào)平的調(diào)平效果要比使用PLC微處理器的處理效果好.

在調(diào)平精度設(shè)為0.3°的前提下,使用嵌入式微處理器的調(diào)平系統(tǒng)在X和Y方向的調(diào)平精度比使用PLC的調(diào)平系統(tǒng)提高近0.1°.當(dāng)調(diào)平精度要求更高時(shí),嵌入式微處理器的調(diào)平系統(tǒng)具有更高的精度.在實(shí)驗(yàn)條件基本一致的情況下,PLC調(diào)平時(shí)間為9～10 s,而嵌入式微處理器將調(diào)平時(shí)間縮短到5～6 s,調(diào)平時(shí)間縮短至原來(lái)的一半,而且調(diào)平效果有了改善.

從圖2可以發(fā)現(xiàn),圖2(b)中的曲線比圖2(a)出現(xiàn)輕微的振蕩.這是由于平臺(tái)在正常調(diào)平過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)輕微振蕩,而出于硬件和軟件設(shè)計(jì)方便需要,ARM處理器所設(shè)定的采樣周期要比PLC采樣周期短,導(dǎo)致ARM采樣得到的數(shù)據(jù)直接反應(yīng)出平臺(tái)的抖動(dòng)情況.因此,出現(xiàn)輕微振蕩是采樣周期的選取引起的,不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論造成影響.

圖2 調(diào)平實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of the leveling experiment

采用32位ARM工業(yè)級(jí)芯片LPC2114作為系統(tǒng)的微處理器,其處理速度快且穩(wěn)定性好,在系統(tǒng)龐大的情況下,其成本要比PLC低好多倍.

4 結(jié)束語(yǔ)

在調(diào)平精度滿(mǎn)足的前提下,采用兩點(diǎn)算法具有調(diào)平速度快、穩(wěn)定性高的特點(diǎn).此外,ARM采用C語(yǔ)言編程可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的程序編程,為更高精度的調(diào)平算法實(shí)現(xiàn)提供可能,彌補(bǔ)PLC難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法編程的缺陷.基于嵌入式微處理器的調(diào)平系統(tǒng),能滿(mǎn)足瀝青砂漿車(chē)在頻繁移動(dòng)工作環(huán)境下的調(diào)平精度和快速性要求,且由于其價(jià)格低廉,因此具有很好的推廣意義.

[1]馬捷.大型瀝青砼攤鋪機(jī)液壓自動(dòng)調(diào)平回路分析[J].公路與汽運(yùn),2007(1):131-133.

[2]張亮,張認(rèn)成,吳仕平.瀝青砂漿車(chē)液壓自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009,156(5):122-124.

[3]郭俊岑,周浚哲,唐健.基于單片機(jī)的坦克火控調(diào)試臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)研究[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(3):70-73,76.

[4]秦健.一種基于PWM的電壓輸出DAC電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004,27(14):81-83.

[5]湯君茂,翁新華,楊汝清.帶電清掃機(jī)器人液壓自動(dòng)調(diào)平收斂性研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2009,20(20):2407-2411.

[6]何臻,潘宏俠,高強(qiáng).一種針對(duì)液壓系統(tǒng)的四點(diǎn)調(diào)平方法研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2008,28(3):278-280.

[7]吳鋒,楊俊義,雷龍,等.某車(chē)載高炮液壓自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2007,3(1):68-70.

(責(zé)任編輯:黃曉楠英文審校:崔長(zhǎng)彩)

Design of Hydraulic Leveling System in Asphalt M ortar Vehicle Based on Embedded Microprocessor

CA IZhong-shan,ZHANG Ren-cheng,YANG Jian-hong
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

A hydraulic leveling system based on embedded microprocessor used in the asphalt mortar vehicle is developed.The measuring device of the system usesmuti-axial level senso r(angle sensor).Its controller uses Philips′smicrop rocessor LPC 2114 and itsexecutive body uses valve-control hydraulic cylinder.A two-point leveling algorithm is used in the embedded microp rocessor LPC 2114 to make the platform horizontal automatically.The results of experiments show that this leveling system is efficient and stable in leveling with leveling accuracy 0.2 degree.

two-point leveling;embedded microp rocesso r;hydraulic auto-leveling;asphalt mortar vehicle

TH 137;TP 272

A

1000-5013(2011)03-0266-03

2010-09-25

張認(rèn)成(1961-),男,教授,主要從事智能檢測(cè)與控制的研究.E-mail:phzzrc@hqu.edu.cn.

福建省科技重大專(zhuān)題項(xiàng)目(2008HZ0002-1)