硬件集成電路設計熱門培訓內容之一種沖孔打樁機自動控制系統設計

時間:2018-03-23 10:10:47

為了提高建筑施工的工作效率,節約生產成本,從沖孔打樁機的工作原理出發,采用低功耗的S3C2440作為微控制器,利用直流電機作為執行機構,設計了一種沖孔打樁機自動控制系統。在整個系統的實現上,從機械改裝設計、硬件原理以及軟件實現等方面對系統進行設計,最終實現沖孔樁機自動打樁的功能。
    沖孔打樁機主要由樁錘、支架、卷揚機以及其他輔助設備組成,其工作原理是利用沖孔打樁機的卷揚機構,將電動機輸出動力的回轉運動轉變為往復運動,通過鋼絲繩來帶動樁錘的提升,并在一定高度時使樁錘自由下落,利用樁錘的沖擊作用沖擠土層或破碎巖石,同時鉆渣隨泥漿(或用取渣桶)排出,最后在地基土中形成樁孔。施工人員在樁孔內放置鋼筋籠,灌注混凝土而制成樁。
 
    目前,沖孔打樁機的打樁作業均由人工手動機械式操縱來完成。操作人員在工作過程中需要頻繁對離合裝置、剎車裝置等控制部件進行操縱,勞動強度很大。隨著微電子技術和自動控制理論的發展,將自動控制技術應用于沖孔打樁機,實現打樁的全自動化或半自動化,使操作人員從繁瑣重復的體力勞動中解放出來成為可能。
    本文通過對沖孔打樁機原有手動控制系統的機械改裝,并利用微控制器以及其他輔助元器件設計了一種沖孔打樁機自動控制系統。
    1 沖孔打樁機控制系統的機械設計
    1.1 離合和剎車控制系統的機械設計
    沖孔打樁機原有手動控制系統的執行機構主要包括離合操縱桿和剎車操縱桿。離合操縱桿閉合(簡稱“緊離合”),樁錘將會被提升;剎車操縱桿閉合(簡稱“緊剎車”),樁錘將會停止運動。在打樁機工作過程中,要避免離合操縱桿和剎車操縱桿同時閉合。該系統的執行裝置可采用氣動方式、液壓方式和電機控制三種方式,為了方便起見,選擇采用電機控制方式。
    電機選用直流電機,直流電機響應速度快,力矩大,并且體積小。改裝時,將固定塊和電機導軌固定在打樁機的底座上,電機旋轉帶動絲杠沿導軌運行。在原有人工作業方式下運行時,即手動模式下,控制桿收到遠離剎車桿的位置,不影響人員操作。采用直流電機作為執行機構對剎車離合控制桿進行控制,微處理器根據位置傳感器傳回來的位置信息,對直流電機進行旋轉控制,電機轉動絲杠,帶動控制桿運動,從而實現剎車與離合的自動控制。
    1.2 傳感器的安裝
    沖孔打樁機原有樁錘提升的高度需要操作人員目測,在自動打樁控制系統中,使用2個霍爾器件為高度傳感器,一個檢測鋼絲繩長度,另一個檢測系統是否出現因卡錘故障引起的樁架提升。在卷揚機卷軸上按照一定的間隔,安裝該設計系統用到的若干個磁鐵,在樁架上靠近卷軸的位置處,安裝檢測鋼絲繩長度的霍爾傳感器;在樁架上安裝檢測卡錘故障的霍爾傳感器。


    
1.3 電機保護器件的安裝
    設計系統的卷揚機采用45 kW的三相異步電機,在電機的三相電中,使用其中兩相對電機進行過流保護和繼電保護,一相安裝電流互感器,對電機的電流進行檢測;另一相安裝控制電機開關的繼電器對電機的通斷進行控制。

2 沖孔打樁機自動控制系統整體設計方案與技術指標
2.1 系統整體設計方案
    本文設計的原理框圖如圖2所示。


    
    沖孔打樁機自動控制系統工作時,施工人員首先對系統進行參數設定,微控制器根據設定的信息控制直流電機的運動,從而帶動離合和剎車控制桿達到控制離合和剎車的目的。為了保證剎車和離合控制桿的精確運動,使用位置傳感器對控制桿運動的位置進行反饋監控。同時,為了方便操作人員的監控,微控制器將打樁作業的相關參數通過液晶屏顯示出來。
2.2 系統的技術指標
    (1)提升高度:0.30~3.5m;
    (2)提升精度:0.02 m;
    (3)剎車時間、離合時間精度:0.01s。

    3 沖孔打樁機自動控制系統硬件電路設計
    根據沖孔打樁機自動控制系統原理圖,設計硬件電路,如圖3所示。系統的硬件電路設計遵循模塊化的設計方法,主要包括控制器模塊、電源模塊、剎車控制模塊、離合控制模塊、電機控制模塊、人機接口模塊及其他保護電路等。


    (1)控制器模塊。系統的微控制器采用擁有低功耗模式的S3C2440,它是Samsung公司以ARM為架構推出的ARM920T的微處理器核心,擁有16 KB的資料快取和16 KB的指令快取、MCU快取,它有固定的32 b運算碼寬度,能降低編碼數量所產生的消耗,可以減輕解碼和管線化的負擔,大多均為一個時間周期執行,有強大的索引定址模式,它精簡且快速的2-priori-ty-le Vel中斷子系統,具有可切換的暫存器組,它支持ARM處理器16-bit(Thumb)指令模式。工作頻率為499 MHz,最高工作頻率可達533 MHz。
    (2)電源模塊。在設計系統中有多種電壓,電源電壓分為直流1.8 V,3.3 V,5 V,和交流220 V幾種。其中1.8 V用于微控制器的內核供電;3.3 V用于微控制器的外設I/O口線供電;5 V用于其他大部分芯片供電;24 V為外圍接口電路供電;交流220 V用于AC—DC(220 V轉24 V)供電。電源電路主要經過穩壓芯片穩壓和電容濾波。主要電路如圖4和圖5所示。


    
    圖中R為0 Ω,C1為25 V 100μF的電解電容,C2為104獨石電容,C3,C4為CBB電容,C5為50 V470μF的電解電容,Z為防雷管,F為保險,L1和L2組成共模扼流圈,L3,L4為差模電感。
    (3)剎車控制系統模塊。剎車、離合電機的控制歸根到底都是對電機的控制,由于需要控制電機的通斷,所以控制也只需要簡單的繼電器控制,故采用普通I/O口和功率晶體管即可,如圖6所示,F為保險,Z為防雷管,Q為晶體管BCP56。


    
    (4)離合控制系統模塊。離合控制的設計方案和剎車控制的設計方案相似。
    (5)卡錘檢測模塊。在打樁機工作過程中,要實時采集打樁機的高度和速度信號,以便對樁機進行控制。本設計中采用霍爾傳感器對高度進行測量,在打樁機運行過程中,工作環境復雜多變,有時會造成卡錘和吸錘等故障,此時及時檢測此類信號,并反饋給微控制器,以便及時調整控制策略,提高打樁機的工作效率。
    (6)電機保護電路的設計。系統采用45 kW的三相異步電機,它是提錘升降的動力來源。電機保護電路的設計對于整個系統來說非常重要。電機保護電路的設計主要包括2個方面:
    一是電機的過流保護,電機在起錘和突然啟動時會產生大的電流,在本設計系統中,采用電流互感器來檢測起錘的電流信號,以及實現對電機的過電流保護;
    二是電機的繼電保護,采用繼電器來控制電機的電源開關,以便在緊急情況下對電機和整個系統進行保護。

    (7)人機接口模塊。根據用戶需求,設計各個功能按鍵,并通過液晶顯示屏,將打樁機的工作狀態實時顯示給用戶,方便用戶了解打樁機的工作狀態。常用的液晶顯示模塊主要分為圖形顯示和點陣顯示。本設計采用點陣液晶顯示模塊JRM 19264A。它主要采用動態驅動原理——控制器和段驅動使192(列)×64(線)全點陣液晶顯示器。
    由于從單片機并行端口輸出的控制信號驅動能力比較低,顯示模塊需要增加驅動芯片放大信號,提高帶載能力,使JRM 19264A正常工作。驅動芯片采用74LS245芯片。

4 沖孔打樁機自動控制系統的軟件實現
    根據沖孔打樁機的實際工作過程,設計該自動控制系統的軟件,本設計的沖孔打樁機自動控制系統在開機初始化后,由施工人員對本自動控制系統的相關控制參數進行設置,之后便進入自動控制打樁過程:首先系統檢測到起錘信號后,程序進入中斷,開始“緊離合”動作,拉動樁錘上升,達到一定高度后,執行“松離合”動作,使樁錘自由落體實施沖擊打樁,到達孔底時,執行“點剎車”動作,延時一段時間之后,再執行“緊離合”動作,拉動樁錘上升,完成一個周期的打樁過程,自動打樁工作的完成就是這樣循環往復進行的。在軟件中,每個周期之后的余繩長度及提錘高度是不同的,利用余繩控制算法對鋼絲繩的收放線進行控制,由于需要剎車離合控制的高速響應,因此剎車和離合的控制均在控制器的中斷中完成。軟件主流程圖如圖7所示。


    5 結語
    沖孔打樁機自動控制系統的研究對于加快社會建設有著非常重要的意義,它降低了施工人員的工作強度,提高了施工的工作效率,依靠微控制器來控制施工比依靠人的經驗顯然更加有效,在節約成本的基礎上,不僅減少了生產事故的發生,而且滿足了現在人們對建筑施工質量越來越高的要求。

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