多功能無(wú)級(jí)調(diào)幅振動(dòng)壓路機(jī)電液控制系統(tǒng)研究

張恒郡

摘要： 振動(dòng)壓路機(jī)未來(lái)必然會(huì)向著無(wú)級(jí)調(diào)幅智能化的方向發(fā)展，本文從結(jié)構(gòu)方面入手，在液壓和控制系統(tǒng)中對(duì)無(wú)級(jí)調(diào)幅機(jī)械進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。應(yīng)用該機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)壓路機(jī)包含有兩個(gè)鋼輪。每個(gè)鋼輪都包含了雙激振器，從旋轉(zhuǎn)方向和相對(duì)夾角方面，通過(guò)對(duì)雙激振器的改變，能夠使壓路機(jī)具有各種振動(dòng)功能;激振器油缸中的活塞塊處于不同位置時(shí)，輸出的振幅也會(huì)有所差異。本文從硬件方面對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且在匯編各模塊時(shí)分別借助了ARM處理器和STM32處理器。

Abstract： The vibrating roller will develop in the direction of intelligence in the future. This paper is designs in hydraulic and control system. The vibrating roller applying this mechanical structure contains two steel wheels. Each steel wheel contains a double shock， which provides the roller with various vibration functions， and the amplitude of the output varies when the piston block in the shock machine cylinder is in different positions. This paper designs the control system in hardware， and uses the ARM and STM32 processors in compiling the modules.

關(guān)鍵詞： 多功能;無(wú)級(jí)調(diào)幅振動(dòng)壓路機(jī);電液控制系統(tǒng)

Key words： multi-function;pless amplitude vibration roller;electric and hydraulic control system

中圖分類號(hào)：U415.52+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0072-04

0? 引言

路面壓實(shí)的過(guò)程十分復(fù)雜繁瑣，會(huì)受到許多因素的干擾。在壓實(shí)期間，增加土壤剛度會(huì)同時(shí)增加和降低最優(yōu)激振頻率和最優(yōu)振幅，為了使壓實(shí)效果能夠達(dá)到最佳，就需要分析和控制壓路機(jī)，保證特定剛度下的振動(dòng)壓路所輸出的振幅和頻率是最優(yōu)的。

振動(dòng)壓路機(jī)的結(jié)構(gòu)主體組成和動(dòng)力源特點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，由液壓元件、液壓泵以及控制器等組成。組成無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)激振器的結(jié)構(gòu)主要有殼體以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸等。通過(guò)螺栓將這些結(jié)構(gòu)裝配在一起。兩個(gè)殼體內(nèi)腔中間是由活動(dòng)偏心塊隔開(kāi)的，也就是靠近和遠(yuǎn)離e和f這兩個(gè)固定偏心塊腔體。殼體內(nèi)內(nèi)腔的活動(dòng)偏心塊是可移動(dòng)的，在激振器中應(yīng)用無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)的過(guò)程中，軸承能夠作為振動(dòng)鋼輪主要支撐。想要保證足夠的動(dòng)力來(lái)對(duì)激振器進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，就需要轉(zhuǎn)動(dòng)液壓馬達(dá)，由于偏心塊存在一定的自重，因此通過(guò)對(duì)激振器的旋轉(zhuǎn)能夠形成相應(yīng)的激振力。轉(zhuǎn)動(dòng)液壓馬達(dá)能夠?yàn)榧ふ衿鞯臒o(wú)級(jí)調(diào)節(jié)提供動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)激振器偏心塊，在其自身質(zhì)量的作用下會(huì)有激振力產(chǎn)生。

1? 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 微處理器? 通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠最大化的發(fā)揮存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì);能夠使低壓邏輯在系統(tǒng)控制中的應(yīng)用更加標(biāo)準(zhǔn)。每一個(gè)ARM處理器都采用了相同的指令集，而ARM7采用了32位的地址總線，最初僅為26位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最初的ARM處理器的兼容。COMS在ARM7中的狀態(tài)是靜止的，然而能夠得到長(zhǎng)久的保存。

STM32這一種嵌入式應(yīng)用在性能、成本以及功耗等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，ARMCortex-M3中的微控制器具有32位的內(nèi)核。本文所選用的系列時(shí)鐘為“增強(qiáng)型”STM32F103，其頻率為主要為72MHz，如此能夠執(zhí)行刪除代碼的指令，在同類產(chǎn)品中屬于性能最高的一種，產(chǎn)品能夠達(dá)到72MHz的閃存速度。STM32只需消耗36mA的電流，該產(chǎn)品在32位市場(chǎng)上屬于最低功耗型。

1.2 ADS8341數(shù)據(jù)采集芯片? ADS8341是最具代表性的A/D轉(zhuǎn)換器，與寄存器較為相似。其采用了能夠再次分配電容的架構(gòu)，其主要能夠在本地保存樣本。該轉(zhuǎn)換器主要采用的生產(chǎn)工藝為0.6μmCMOS。圖片中展示了ADS834所具有的基本操作?？梢詫⒁粋€(gè)時(shí)鐘設(shè)置在該設(shè)備外部作為參考。采用2.7V-5.25V的單電源就能夠提供其工作所需的電壓。在確定轉(zhuǎn)換器能夠輸入的范圍大小時(shí)，需要結(jié)合參考電壓。在決定轉(zhuǎn)化率平均參考值時(shí)，需要結(jié)合ADS8341的輸入電流。轉(zhuǎn)換器的輸入需要借助差分模擬技術(shù)，并且應(yīng)用的多路復(fù)用器為四通道型。由于轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的是差分模擬輸入技術(shù)，再加上應(yīng)用四通道需要借助多路復(fù)用器的支持。因此，在符合參考電壓的條件下，可以在四通道上采用COM引腳或差分來(lái)進(jìn)行輸入。選擇特定的數(shù)字接口能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的配置。如圖2、圖3所示。

1.3 RS-232串行通訊接口

在對(duì)RS-232接口進(jìn)行制定的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)ELA的采用，能夠滿足串行數(shù)據(jù)的通信標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算機(jī)中主要用于連接外設(shè)串行接口。本文主要采用RS-232接口向微處理器STM32傳出壓實(shí)度儀相關(guān)數(shù)據(jù)，其能夠做出相應(yīng)的反饋控制。依據(jù)負(fù)邏輯和地對(duì)稱理論能夠?qū)⑾鄳?yīng)的數(shù)字量傳送給RS-232C，需要按照邏輯1：-3-15V邏輯0：+3～+15V。因此，在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行連接時(shí)，一般來(lái)說(shuō)需要將電平轉(zhuǎn)換為芯片[3]。如圖4所示。

2? 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件

2.1 系統(tǒng)的自檢模式? 在控制系統(tǒng)的眾多功能中，最重要的就是自檢，能夠使系統(tǒng)性能得到大幅提升。在開(kāi)始自檢之前需要先初始化系統(tǒng)，并進(jìn)行外部設(shè)計(jì)，例如需要在外部對(duì)4、3、2部位進(jìn)行斷開(kāi)。并且需要再次設(shè)置系統(tǒng)參量，并開(kāi)啟電磁右端閥門，以此來(lái)保證活塞塊達(dá)到最大的位移距離，定時(shí)器3在開(kāi)啟后，能夠獲取到流量計(jì)采集到的輸出脈沖數(shù)值。采樣時(shí)能夠達(dá)到1000Hz的速率，nofc如果低于3000技術(shù)參量，系統(tǒng)即會(huì)開(kāi)啟電磁閥3s以上，活塞塊的位移最大。這個(gè)時(shí)候需要判斷流量計(jì)是否能夠釋輸出20以上的脈沖。在關(guān)閉電磁右端的閥門后，需要再次設(shè)置的定時(shí)器及其參數(shù)值。電磁左端的閥門以及定時(shí)器在這個(gè)時(shí)候需要同時(shí)開(kāi)啟，通過(guò)對(duì)上述操作的反復(fù)進(jìn)行可以得知，在上述行程內(nèi)的流量計(jì)不會(huì)超過(guò)20次脈沖，即活塞塊的位移或微移動(dòng)并未發(fā)生。這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)來(lái)提示發(fā)生異常[4]。

2.2 系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定模式

在按下系統(tǒng)標(biāo)定按鈕的同時(shí)，會(huì)中斷ARM外部4，此時(shí)程序會(huì)被中斷。如果按下按鈕開(kāi)啟手動(dòng)或自動(dòng)模式時(shí)，中斷就會(huì)生效。假設(shè)系統(tǒng)的flage標(biāo)識(shí)參量為0x01，按照0x5step參量來(lái)操作系統(tǒng)，在再次設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)后，也會(huì)相應(yīng)改變定時(shí)器3的參數(shù)。不僅需要開(kāi)啟電磁閥右端閥門，還需要打開(kāi)定時(shí)器，流量計(jì)在輸出脈沖信號(hào)時(shí)如果能夠達(dá)到20ms的速度，就能夠?qū)⒒钊麎K移到系統(tǒng)最高處。這個(gè)時(shí)候電磁閥右端需要關(guān)閉。同時(shí)需要關(guān)閉定時(shí)器3，按照0x01step步驟來(lái)操作系統(tǒng)，重復(fù)上述操作四次，并記錄流量計(jì)在后三次循環(huán)中的脈沖數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的公式進(jìn)行K求知，并在第一扇區(qū)的SD卡中進(jìn)行保存。如圖5所示。

2.3 外部中斷模式? 外部4發(fā)生中斷是由于標(biāo)定按鈕被按下所導(dǎo)致的，系統(tǒng)首先會(huì)判斷是處于自動(dòng)還是手動(dòng)控制模式，以及是否在正常工作，只有兩個(gè)條件都不符合時(shí)，才能夠保持對(duì)相應(yīng)函數(shù)的繼續(xù)執(zhí)行，如果falge和step的賦值分別為0x01和0x05。那么按鈕在彈起后，就會(huì)引起外部再次出現(xiàn)中斷，如果每一個(gè)按鈕都處于彈起狀態(tài)，那么系統(tǒng)在0x05，賦值的flag情況下無(wú)法工作，活塞塊將朝著激振器移動(dòng)[6]。

2.4 參數(shù)匹配模式? 首先需要在200長(zhǎng)度的match數(shù)組中插入SD卡進(jìn)行讀取，并反復(fù)比較目前的壓實(shí)度值，最終找出最優(yōu)解。

2.5 手動(dòng)控制模式? 系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)初始化后，如果自檢結(jié)果并無(wú)異常，那么通過(guò)對(duì)按鈕的手動(dòng)觸發(fā)，能夠斷開(kāi)外部3，系統(tǒng)能夠達(dá)到0x02賦值的flage表示參量。在SD卡中，通過(guò)對(duì)第二扇區(qū)的讀取，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)200長(zhǎng)度的match[]數(shù)組、read8341（0xa4）函數(shù)的數(shù)據(jù)裝載和調(diào)用，這個(gè)時(shí)候需要采集電位器所具有的輸出量，并且需要匹配實(shí)壓度參數(shù)。5.55.14和STM32的DA口分別具有Δn和i的計(jì)算功能和直接輸出通過(guò)變量泵電磁鐵中的電流i的功能。在控制Δn流量補(bǔ)償參數(shù)的過(guò)程中，最首要的就是確定Δn屬于正值還是負(fù)值，如果是正值，那么就需要再次設(shè)置系統(tǒng)參量，將電磁右端的閥門打開(kāi)，并為定時(shí)器3賦能，持續(xù)到流量計(jì)的流量補(bǔ)償參數(shù)和轉(zhuǎn)速參數(shù)相等為止。如果是負(fù)值，就需要開(kāi)啟電磁左端的閥門[7]。如圖6所示。

2.6 自動(dòng)控制模式

系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)初始化后，如果自檢結(jié)果并無(wú)異常，那么通過(guò)對(duì)按鈕的手動(dòng)觸發(fā)，能夠斷開(kāi)外部2，系統(tǒng)此時(shí)的標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)參量為0x03賦值。位于第二扇區(qū)的SD卡能夠裝載200進(jìn)度數(shù)據(jù)的數(shù)組match[]，通過(guò)對(duì)readdegree（）函數(shù)的調(diào)用，對(duì)壓實(shí)度儀的訪問(wèn)，能夠了解到路面此時(shí)的壓實(shí)度，并進(jìn)行參數(shù)匹配，計(jì)算Δn和i。在變量泵中應(yīng)用STM32的DA口能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁鐵電流i的直接輸出，并且能夠控制需要補(bǔ)償?shù)摩流量參數(shù)，首先需要了解Δn處于正值還是負(fù)值，如果是正值，那么較系統(tǒng)參數(shù)就會(huì)被充值，這個(gè)時(shí)候電磁閥右端開(kāi)啟后能夠同時(shí)賦能定時(shí)器3，指導(dǎo)流量計(jì)轉(zhuǎn)速與流量補(bǔ)償具有相同的參數(shù)為止。如果是負(fù)值Δn，那么需要開(kāi)啟電磁閥左端。如圖7所示。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文從目標(biāo)、控制規(guī)則以及相關(guān)方案方面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了確定;在控制系統(tǒng)中增加了手動(dòng)和自動(dòng)這兩種模式，以此來(lái)對(duì)壓路機(jī)進(jìn)行調(diào)幅和調(diào)頻。該控制系統(tǒng)的ARM微處理器和STM32微處理器屬于硬件;系統(tǒng)具有6個(gè)模式的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任意模塊的獨(dú)立匯編。用來(lái)壓實(shí)地面的振動(dòng)壓路機(jī)具有復(fù)雜的過(guò)程，提出了調(diào)幅和調(diào)頻控制采用專家系統(tǒng)的理念。做了相應(yīng)的理論分析。

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