蔡鐘山,張認(rèn)成,楊建紅

(華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院,福建泉州 362021)

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

蔡鐘山,張認(rèn)成,楊建紅

(華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院,福建泉州 362021)

設(shè)計一種基于嵌入式微處理器的瀝青砂漿車液壓自動調(diào)平系統(tǒng).其檢測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)行機構(gòu)采用閥控液壓缸.嵌入式微處理器LPC2114采用兩點調(diào)平的算法,實現(xiàn)對瀝青砂漿車的液壓自動調(diào)平.實驗結(jié)果表明:采用兩點調(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.

兩點調(diào)平;嵌入式;微處理器;液壓自動調(diào)平;瀝青砂漿車

瀝青砂漿車攪拌平臺上都裝有添加料自動稱量系統(tǒng),如果攪拌平臺不水平,將導(dǎo)致稱量系統(tǒng)無法進行精確計量,高速鐵路無渣軌道的質(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)平方式主要是通過水準(zhǔn)儀來檢查平臺的水平狀態(tài).它采用多點調(diào)整方式,依靠人工作業(yè)完成,耗時長且調(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)和單片機的液壓調(diào)平系統(tǒng).PLC在工業(yè)上應(yīng)用廣泛、編程簡單,但選用PLC為處理器將導(dǎo)致系統(tǒng)的成本增加,且PLC對浮點運算等一些復(fù)雜算法的編程實現(xiàn)較為困難;而單片機雖然價格低廉,但其抗干擾能力差,不適合工業(yè)上的應(yīng)用[3].針對瀝青砂漿車在高速鐵路上作業(yè)過程中對攪拌平臺水平度的要求,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液壓自動調(diào)平系統(tǒng).

1 系統(tǒng)設(shè)計

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)主要由檢測裝置、控制器和執(zhí)行機構(gòu)3部分組成.其中:檢測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)換器對角度值進行檢測,利用UART1與PC機進行串口通信,將角度值通過串口發(fā)送給PC機進行數(shù)據(jù)保存,通過4路的PWM輸出;經(jīng)過低通濾波電路輸出模擬電壓值[4],通過信號調(diào)理電路放大后對執(zhí)行機構(gòu)進行控制.

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)和慢速變化的動態(tài)測量,不適用于快速變化的動態(tài)測量,所測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10°·s-1會產(chǎn)生角度輸出失準(zhǔn)的情況[2].

系統(tǒng)的控制平臺主要由液壓系統(tǒng)組成,4個帶有自鎖功能的液壓支腿為執(zhí)行機構(gòu)——液壓缸.其升降由對應(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度,從而控制液壓缸的升降,實現(xiàn)砂漿車的調(diào)平.

1.2 控制電路

控制電路主要包括信號轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理電路.信號轉(zhuǎn)換電路通過一個100Ω的精密電阻將從傾角傳感器采集到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,并作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號.為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,信號調(diào)理電路采用兩級放大電路,一級放大使用OP07芯片,將電壓放大到0～10 V之間,然后采用型號為YKGR-D Y18的比例放大器進行二級放大,將0～10 V的電壓放大到6～18 V用于驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu).

2 調(diào)平算法的選擇

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

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

兩點調(diào)平是采用“先Y后X”的調(diào)平策略.即在水平角度滿足調(diào)平范圍的前提下,首先對Y方向進行調(diào)平,滿足|β|

三點調(diào)平采用實時比例跟蹤調(diào)平方法.即在每次跟蹤周期內(nèi)進行逐次逼近,可以實現(xiàn)解耦[6].但其跟蹤周期的大小很難控制,沒有理論的支持,只能憑經(jīng)驗進行設(shè)置,不同的水平角度的跟蹤周期不一致,調(diào)平過程中也容易引起過調(diào),即調(diào)平時間長.

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

3 實驗結(jié)果與分析

表1 調(diào)平實驗數(shù)據(jù)表Tab.1 Table of the leveling experimental data on PLC

選取角度值滿足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)過兩點調(diào)平,分別進行多組實驗.分別選取3組不同初始角度的α,β值,其初始條件和實驗結(jié)果,如表1,圖2所示.表1中:α0,β0為實驗初始角度;αl,βl為調(diào)平后角度;t為調(diào)平時間.

從圖2可知,在平臺初始角度基本一致的前提下,采用ARM微處理器進行兩點調(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,嵌入式微處理器的調(diào)平系統(tǒng)具有更高的精度.在實驗條件基本一致的情況下,PLC調(diào)平時間為9～10 s,而嵌入式微處理器將調(diào)平時間縮短到5～6 s,調(diào)平時間縮短至原來的一半,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.這是由于平臺在正常調(diào)平過程中會出現(xiàn)輕微振蕩,而出于硬件和軟件設(shè)計方便需要,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)出平臺的抖動情況.因此,出現(xiàn)輕微振蕩是采樣周期的選取引起的,不會對實驗結(jié)論造成影響.

圖2 調(diào)平實驗結(jié)果Fig.2 Results of the leveling experiment

采用32位ARM工業(yè)級芯片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

在調(diào)平精度滿足的前提下,采用兩點算法具有調(diào)平速度快、穩(wěn)定性高的特點.此外,ARM采用C語言編程可以實現(xiàn)較復(fù)雜的程序編程,為更高精度的調(diào)平算法實現(xiàn)提供可能,彌補PLC難以實現(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),能滿足瀝青砂漿車在頻繁移動工作環(huán)境下的調(diào)平精度和快速性要求,且由于其價格低廉,因此具有很好的推廣意義.

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

[2]張亮,張認(rèn)成,吳仕平.瀝青砂漿車液壓自動調(diào)平控制系統(tǒng)研究[J].機械工程與自動化,2009,156(5):122-124.

[3]郭俊岑,周浚哲,唐健.基于單片機的坦克火控調(diào)試臺自動調(diào)平系統(tǒng)研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報,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[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004,27(14):81-83.

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

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

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

(責(zé)任編輯:黃曉楠英文審校:崔長彩)

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,主要從事智能檢測與控制的研究.E-mail:phzzrc@hqu.edu.cn.

福建省科技重大專題項目(2008HZ0002-1)