張 軍，李 珂

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

輪緣與鋼軌軌距角間的磨耗主要是由機(jī)車(chē)運(yùn)行于曲線(xiàn)路段造成的，并且外軌側(cè)磨損最為嚴(yán)重，正確合理的軌道潤(rùn)滑可以極大程度地減少車(chē)輪與鋼軌的磨損[1-2].目前國(guó)內(nèi)在空曠開(kāi)闊環(huán)境中大量使用的道旁軌距面潤(rùn)滑裝置如圖1所示.它包括太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、列車(chē)接近傳感器、控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分[3].這種潤(rùn)滑裝置適用于小半徑曲線(xiàn)鋼軌和編組場(chǎng)道岔曲尖軌潤(rùn)滑，具有涂覆位置準(zhǔn)確、設(shè)備維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn).但其控制系統(tǒng)存在無(wú)法靈活調(diào)節(jié)潤(rùn)滑劑量、功耗大等缺點(diǎn).

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32單片機(jī)的道旁軌距面潤(rùn)滑控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)需要選擇型號(hào)為STM32F103VET的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心處理器.該單片機(jī)功能集成度高，包含多種接口(如多達(dá)80個(gè)通用IO端口、11個(gè)定時(shí)器和13路通信接口等)，與外界的擴(kuò)展連接非常方便.它可以通過(guò)連接各種傳感器獲取外部信息，通過(guò)連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，也可以通過(guò)通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互.以該單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的道旁軌距面潤(rùn)滑控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑劑量的靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)在檢測(cè)到?jīng)]有列車(chē)通過(guò)時(shí)輸出關(guān)閉機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源的控制指令，以降低系統(tǒng)功耗.

圖1 道旁軌距面潤(rùn)滑裝置

1 潤(rùn)滑控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于單片機(jī)的道旁軌距面潤(rùn)滑控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.STM32F103VET微控制器是該系統(tǒng)的核心，它具有ARM Cortex-M3內(nèi)核.進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可將其工作頻率設(shè)置為72 MHz，并采用內(nèi)部FLASH存放運(yùn)行參數(shù).微控制器通過(guò)RS232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件測(cè)試和運(yùn)行參數(shù)的交互.該系統(tǒng)的工作狀態(tài)指示主要由LED指示燈完成，指示的內(nèi)容包括運(yùn)行、欠壓、缺料和故障.

圖2 潤(rùn)滑控制系統(tǒng)框圖

STM32F103VET微控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；通過(guò)外部繼電器切斷機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源；利用控制器內(nèi)部的定時(shí)器和IO端口，連接列車(chē)接近傳感器、上下限位接近開(kāi)關(guān)等模塊，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化運(yùn)行.

2 潤(rùn)滑控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于A(yíng)RM Cortex-M3的控制模塊

STM32F103VET微控制器是意法半導(dǎo)體公司在業(yè)界最先推出的高性能、低功耗、低成本的嵌入式32位處理器.其內(nèi)部集成3路具有12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器、高達(dá)512 kB的閃存器、13路通信接口等，有利于簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)，可靠性更高，非常適用于功能豐富的智能道旁軌距面潤(rùn)滑控制系統(tǒng).

2.2 RS232通信模塊

RS232是一種串行通信總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，是數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口標(biāo)準(zhǔn).STM32F103VET微控制器和上位機(jī)進(jìn)行串口通信時(shí)，盡管STM32F103VET微控制器具有串行通信的功能，但其提供信號(hào)的電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.該潤(rùn)滑控制系統(tǒng)能夠通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)微控制器與上位機(jī)之間的通信，并通過(guò)串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)核心處理器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互.

2.3 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊硬件部分包括光電耦合器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N.其中，光電耦合器的型號(hào)為T(mén)LP291-4；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和繼電器線(xiàn)圈等感性負(fù)載[4].電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示.STM32F103VET主芯片的兩個(gè)通用IO端口通過(guò)光電耦合器分別與圖3中的A和B連接，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向.STM32F103VET主芯片使用內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生一路PWM輸出，通過(guò)型號(hào)為PC410L0NIP的光電耦合器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N的使能端連接，用于控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié).

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.4 列車(chē)接近傳感器

列車(chē)接近傳感器是一種電磁傳感器，它能夠直接從被測(cè)對(duì)象的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中測(cè)出電信號(hào).列車(chē)接近傳感器通常被固定在鐵道上，通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)將電信號(hào)傳入控制系統(tǒng).本設(shè)計(jì)選用的列車(chē)接近傳感器輸出信號(hào)為3～18 V的正弦交流電壓.列車(chē)接近傳感器電路如圖4所示.

圖4 列車(chē)接近傳感器電路

在圖4中，D10為SMBJ26CA瞬態(tài)抑制二極管，用于后續(xù)電路保護(hù)；MB6S是橋式整流器，列車(chē)接近傳感器輸出的正弦交流電壓由它轉(zhuǎn)換為直流電壓；PS2805-1是光電耦合器，包含一個(gè)砷化鎵二極管和一個(gè)光電晶體管，對(duì)STM32F103VET微控制器的GPIO口實(shí)現(xiàn)電氣隔離和保護(hù).

2.5 上下限位接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)列車(chē)駛?cè)霛?rùn)滑區(qū)域時(shí)，列車(chē)接近傳感器檢測(cè)到列車(chē)到達(dá)信號(hào)，將信號(hào)傳遞給控制器，控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始潤(rùn)滑工作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將潤(rùn)滑塊推入潤(rùn)滑區(qū)域，對(duì)鋼軌內(nèi)側(cè)實(shí)施潤(rùn)滑.隨著潤(rùn)滑塊的逐漸上升，需要檢測(cè)潤(rùn)滑塊的實(shí)際位置，用來(lái)監(jiān)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行，同時(shí)也為下一步操作發(fā)出切換指令.接近開(kāi)關(guān)在控制系統(tǒng)中是常用的傳感器元件，主要有以下幾種：電感式、電容式、霍爾式和光電式.本設(shè)計(jì)選用的是三線(xiàn)制的電感式接近開(kāi)關(guān).

3 潤(rùn)滑控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

潤(rùn)滑控制的系統(tǒng)軟件以美國(guó)Keil Software公司的Keil μVision5為開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)整個(gè)控制程序.根據(jù)道旁軌距面潤(rùn)滑裝置功能要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主程序流程如圖5所示.系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，開(kāi)始運(yùn)行電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、列車(chē)接近傳感器等模塊的初始化程序，并訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部FLASH，讀取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(包括運(yùn)行時(shí)間、休息時(shí)間和運(yùn)行速度).初始化程序完成后，系統(tǒng)程序開(kāi)始在就緒、運(yùn)行和休眠3個(gè)狀態(tài)之間切換(圖6).當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到上限位接近開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，開(kāi)始運(yùn)行復(fù)位程序；檢測(cè)到下限位接近開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)，開(kāi)始運(yùn)行等待換料程序；直到操作人員更換好潤(rùn)滑劑并按下復(fù)位按鍵，新的工作循環(huán)才開(kāi)始.

程序主邏輯中運(yùn)用了狀態(tài)機(jī)的編程思路，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)在就緒、運(yùn)行、休眠3個(gè)狀態(tài)之間的靈活轉(zhuǎn)換.狀態(tài)機(jī)是軟件編程的一個(gè)重要概念.思路清晰而且高效的程序中通常有狀態(tài)機(jī)的存在.

圖5 系統(tǒng)主程序流程

圖6 系統(tǒng)狀態(tài)切換示意圖

3.2 RS232通信設(shè)計(jì)

STM32F103VET微控制器通過(guò)RS232串口與上位機(jī)連接，利用其自身的USART控制器完成通信.USART控制器使用之前需要初始化，初始化的主要任務(wù)是設(shè)置操作每個(gè)通道所需要的參數(shù).這些參數(shù)包括串口通信時(shí)數(shù)據(jù)串的數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等.另外，還需要設(shè)置通信的波特率及中斷方式.在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通信設(shè)置為接收完成中斷方式，波特率設(shè)置為常用的115 200 Bd/s；數(shù)據(jù)串設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位和無(wú)奇偶校驗(yàn).

RS232通信主要有兩大類(lèi)：讀取運(yùn)行參數(shù)和傳感器信息；發(fā)送修改運(yùn)行參數(shù)指令.STM32單片機(jī)采集到的傳感器信息、運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息等經(jīng)過(guò)處理傳送給上位機(jī).上位機(jī)通過(guò)串口調(diào)試助手查看STM32單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù).該控制系統(tǒng)的監(jiān)控信息如表1所示.上位機(jī)也可以通過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送特定格式的指令來(lái)修改控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù).

表1 控制系統(tǒng)的監(jiān)控信息列表

3.3 PWM電機(jī)控制設(shè)計(jì)

STM32F103VET微控制器具有強(qiáng)大的PWM輸出功能.當(dāng)TIMx_CNT向上(加1)計(jì)數(shù)累加到寄存器TIMx_CCRx確定的值時(shí)，PWM輸出通道便會(huì)實(shí)現(xiàn)電平的翻轉(zhuǎn)；當(dāng)TIMx_CNT被加載到TIMx_ARR寄存器時(shí)便會(huì)自動(dòng)清零.因此，通過(guò)TIMx_ARR和TIMx_CCRx寄存器可確定PWM的周期和占空比[5].STM32單片機(jī)的PWM可分為模式1和模式2.當(dāng)模式1向上計(jì)數(shù)時(shí)，一旦 TIMx_CNT=TIMx_CCR1，通道1則為無(wú)效電平，否則為有效電平.當(dāng)模式2向上計(jì)數(shù)時(shí)，一旦TIMx_CNT=TIMx_CCR1，通道1則為有效電平，否則為無(wú)效電平.

該潤(rùn)滑控制系統(tǒng)的電機(jī)控制采用模式2.定時(shí)器4選用CH2通道，頻率為200 Hz，占空比為50%.TIM4定時(shí)器輸出PWM的步驟如下：

步驟1 開(kāi)啟TIM4時(shí)鐘及復(fù)用功能時(shí)鐘；

步驟2 設(shè)置GPIO；

步驟3 設(shè)置TIM4定時(shí)器的相關(guān)寄存器；

步驟4 設(shè)置TIM4定時(shí)器的PWM相關(guān)寄存器；

步驟5 使能TIM4.

完成了以上5個(gè)步驟就可以實(shí)現(xiàn)PWM的不同輸出，但其占空比是固定的.通過(guò)修改TIM4_CCR2可控制CH2的輸出占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié).修改占空比的代碼如下：

void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2)

{

assert_param(IS_TIM_LIST6_PERIPH(TIMx));

TIMx->CCR2 = Compare2;

}

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

所設(shè)計(jì)的道旁軌距面潤(rùn)滑控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為控制器，通過(guò)專(zhuān)用電纜連接線(xiàn)驅(qū)動(dòng)8路機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.其控制面板上帶有通用RS232接口，操作人員可以使用RS232連接線(xiàn)完成控制系統(tǒng)與上位機(jī)的連接，獲取控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、蓄電池電壓以及報(bào)警信息，并且可以根據(jù)車(chē)流量的大小，通過(guò)發(fā)送運(yùn)行參數(shù)修改指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑劑量的靈活調(diào)節(jié).

5 結(jié)束語(yǔ)

道旁軌距面潤(rùn)滑控制系統(tǒng)以基于A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET微處理器為核心，集成了列車(chē)接近傳感器、限位接近開(kāi)關(guān)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、LED指示燈及RS232通信電路等.在相應(yīng)的軟件程序控制下，該潤(rùn)滑控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù).在檢測(cè)到?jīng)]有列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，控制系統(tǒng)能夠通過(guò)繼電器關(guān)閉機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源，有效降低了潤(rùn)滑裝置的功耗.在噴涂潤(rùn)滑劑量過(guò)多或不足的情況下，操作人員通過(guò)上位機(jī)可以調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，減少或增加潤(rùn)滑劑的噴涂量，直至噴涂量合適為止.該控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)清晰等優(yōu)點(diǎn).其設(shè)計(jì)應(yīng)用為道旁軌距面潤(rùn)滑裝置的智能化控制提供了一種思路.

參考文獻(xiàn):

[1] 李 輝,楊 獻(xiàn),唐岡林.智能化機(jī)車(chē)輪緣噴油控制器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2009(6):29-31.

[2] WANG Wenjian,GUO Jun,LIU Qiyue.Experimental study on wear and spalling behaviors of railway wheel[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2013,26(6):1243-1249.

[3] 徐鳳生.輪軌摩擦管理技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2017,39(5):643-648.

[4] 趙慶松,蘇 敏.基于A(yíng)RM的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007(2):173-175.

[5] 彭 剛,袁 兵.基于雙ARM Cortex架構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,41(S1):284-288.