嵌入式微處理器的瀝青砂漿車液壓調平系統的設計

蔡鐘山,張認成,楊建紅

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州 362021)

嵌入式微處理器的瀝青砂漿車液壓調平系統的設計

蔡鐘山,張認成,楊建紅

(華僑大學機電及自動化學院,福建泉州 362021)

設計一種基于嵌入式微處理器的瀝青砂漿車液壓自動調平系統.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,執行機構采用閥控液壓缸.嵌入式微處理器LPC2114采用兩點調平的算法,實現對瀝青砂漿車的液壓自動調平.實驗結果表明:采用兩點調平的方法,在調平精度為±0.2°的前提下,調平效率高、穩定性好.

兩點調平;嵌入式;微處理器;液壓自動調平;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,如果攪拌平臺不水平,將導致稱量系統無法進行精確計量,高速鐵路無渣軌道的質量也得不到保證.因此,研究一種快速、準確、安全的砂漿車調平系統是十分必要的[1-2].傳統的調平方式主要是通過水準儀來檢查平臺的水平狀態.它采用多點調整方式,依靠人工作業完成,耗時長且調平精度差.目前,工業上用得較多的調平方式主要是基于可編程控制器(PLC)和單片機的液壓調平系統.PLC在工業上應用廣泛、編程簡單,但選用PLC為處理器將導致系統的成本增加,且PLC對浮點運算等一些復雜算法的編程實現較為困難;而單片機雖然價格低廉,但其抗干擾能力差,不適合工業上的應用[3].針對瀝青砂漿車在高速鐵路上作業過程中對攪拌平臺水平度的要求,本文提出一種成本低、穩定性好的基于嵌入式微處理器的瀝青砂漿車液壓自動調平系統.

1 系統設計

圖1 調平系統整體框架Fig.1 Framework of leveling system

1.1 整體構架

調平系統的整體框架,如圖1所示.系統主要由檢測裝置、控制器和執行機構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;執行機構采用閥控液壓缸.

使用LPC2114微處理器的2路A/D轉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送給PC機進行數據保存,通過4路的PWM輸出;經過低通濾波電路輸出模擬電壓值[4],通過信號調理電路放大后對執行機構進行控制.

系統選擇的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,綜合考慮調平精度,選擇其調平量程為-8°～+8°.它適合靜態和慢速變化的動態測量,不適用于快速變化的動態測量,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會產生角度輸出失準的情況[2].

系統的控制平臺主要由液壓系統組成,4個帶有自鎖功能的液壓支腿為執行機構——液壓缸.其升降由對應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,實現砂漿車的調平.

1.2 控制電路

控制電路主要包括信號轉換和信號調理電路.信號轉換電路通過一個100Ω的精密電阻將從傾角傳感器采集到的電流信號轉換為電壓信號,并作為A/D轉換器的輸入信號.為了保證系統的穩定,信號調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用于驅動執行機構.

2 調平算法的選擇

調平目標是使平臺的角度參數α和β的絕對值小于1個預置精度S′,即要求|α|

一點調平理論上可以很好實現兩個水平方向的耦合,精度較高.但在實際應用中,其最低點與最高點的高度差以及由高度差推導出最低退升高時間都難以精確得到,從而導致在調平過程中出現調平的不精確性.當系統控制不當時有時也會導致砂漿車的傾斜,嚴重時甚至翻車,即穩定性不夠;當要求分別實現對2個方向不同角度精度時,一點調平也很難滿足,且調平時間長.

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

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

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

3 實驗結果與分析

表1 調平實驗數據表Tab.1 Table of the leveling experimental data on PLC

選取角度值滿足α>0,β<0,設置初始傾斜角度在2°～3°,設定調平精度S′為0.3°,采用 PLC, ARM(Advanced RISC Machines)處理器經過兩點調平,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果,如表1,圖2所示.表1中:α0,β0為實驗初始角度;αl,βl為調平后角度;t為調平時間.

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平的調平效果要比使用PLC微處理器的處理效果好.

在調平精度設為0.3°的前提下,使用嵌入式微處理器的調平系統在X和Y方向的調平精度比使用PLC的調平系統提高近0.1°.當調平精度要求更高時,嵌入式微處理器的調平系統具有更高的精度.在實驗條件基本一致的情況下,PLC調平時間為9～10 s,而嵌入式微處理器將調平時間縮短到5～6 s,調平時間縮短至原來的一半,而且調平效果有了改善.

從圖2可以發現,圖2(b)中的曲線比圖2(a)出現輕微的振蕩.這是由于平臺在正常調平過程中會出現輕微振蕩,而出于硬件和軟件設計方便需要,ARM處理器所設定的采樣周期要比PLC采樣周期短,導致ARM采樣得到的數據直接反應出平臺的抖動情況.因此,出現輕微振蕩是采樣周期的選取引起的,不會對實驗結論造成影響.

圖2 調平實驗結果Fig.2 Results of the leveling experiment

采用32位ARM工業級芯片LPC2114作為系統的微處理器,其處理速度快且穩定性好,在系統龐大的情況下,其成本要比PLC低好多倍.

4 結束語

在調平精度滿足的前提下,采用兩點算法具有調平速度快、穩定性高的特點.此外,ARM采用C語言編程可以實現較復雜的程序編程,為更高精度的調平算法實現提供可能,彌補PLC難以實現復雜算法編程的缺陷.基于嵌入式微處理器的調平系統,能滿足瀝青砂漿車在頻繁移動工作環境下的調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平回路分析[J].公路與汽運,2007(1):131-133.

[2]張亮,張認成,吳仕平.瀝青砂漿車液壓自動調平控制系統研究[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試臺自動調平系統研究[J].沈陽理工大學學報,2006,25(3):70-73,76.

[4]秦健.一種基于PWM的電壓輸出DAC電路設計[J].現代電子技術,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.一種針對液壓系統的四點調平方法研究[J].彈箭與制導學報,2008,28(3):278-280.

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

(責任編輯: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)