沖孔打樁機的自動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了提高建筑施工的工作效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，從沖孔打樁機的工作原理出發(fā)，采用低功耗的S3C2440作為微控制器，利用直流電機作為執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計了一種沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)的實現(xiàn)上，從機械改裝設(shè)計、硬件原理以及軟件實現(xiàn)等方面對系統(tǒng)進行設(shè)計，最終實現(xiàn)沖孔樁機自動打樁的功能。
關(guān)鍵詞：沖孔打樁機；S3C2440；直流電機；自動控制

0 引言
    沖孔打樁機主要由樁錘、支架、卷揚機以及其他輔助設(shè)備組成，其工作原理是利用沖孔打樁機的卷揚機構(gòu)，將電動機輸出動力的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)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(nèi)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(yè)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(shù)和自動控制理論的發(fā)展，將自動控制技術(shù)應(yīng)用于沖孔打樁機，實現(xiàn)打樁的全自動化或半自動化，使操作人員從繁瑣重復(fù)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(tǒng)的機械改裝，并利用微控制器以及其他輔助元器件設(shè)計了一種沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)。

1 沖孔打樁機控制系統(tǒng)的機械設(shè)計
1．1 離合和剎車控制系統(tǒng)的機械設(shè)計
    沖孔打樁機原有手動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)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(tǒng)的執(zhí)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(yīng)速度快，力矩大，并且體積小。改裝時，將固定塊和電機導(dǎo)軌固定在打樁機的底座上，電機旋轉(zhuǎn)帶動絲杠沿導(dǎo)軌運行。在原有人工作業(yè)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(zhí)行機構(gòu)對剎車離合控制桿進行控制，微處理器根據(jù)位置傳感器傳回來的位置信息，對直流電機進行旋轉(zhuǎn)控制，電機轉(zhuǎn)動絲杠，帶動控制桿運動，從而實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)是否出現(xiàn)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(shè)計系統(tǒng)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(shè)計系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)整體設(shè)計方案與技術(shù)指標(biāo)
2．1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
    本文設(shè)計的原理框圖如圖2所示。

    沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)工作時，施工人員首先對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定，微控制器根據(jù)設(shè)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(jiān)控。同時，為了方便操作人員的監(jiān)控，微控制器將打樁作業(yè)的相關(guān)參數(shù)通過液晶屏顯示出來。
2．2 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)
    (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(tǒng)硬件電路設(shè)計
    根據(jù)沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)原理圖，設(shè)計硬件電路，如圖3所示。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計遵循模塊化的設(shè)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(tǒng)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(gòu)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(shù)量所產(chǎn)生的消耗，可以減輕解碼和管線化的負擔(dān)，大多均為一個時間周期執(zhí)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(tǒng)，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(shè)計系統(tǒng)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(nèi)核供電；3．3 V用于微控制器的外設(shè)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(zhuǎn)24 V)供電。電源電路主要經(jīng)過穩(wěn)壓芯片穩(wěn)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)為保險，Z為防雷管，Q為晶體管BCP56。

    (4)離合控制系統(tǒng)模塊。離合控制的設(shè)計方案和剎車控制的設(shè)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(shè)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(huán)境復(fù)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(diào)整控制策略，提高打樁機的工作效率。
    (6)電機保護電路的設(shè)計。系統(tǒng)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(shè)計對于整個系統(tǒng)來說非常重要。電機保護電路的設(shè)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(chǎn)生大的電流，在本設(shè)計系統(tǒng)中，采用電流互感器來檢測起錘的電流信號，以及實現(xiàn)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(guān)，以便在緊急情況下對電機和整個系統(tǒng)進行保護。
    (7)人機接口模塊。根據(jù)用戶需求，設(shè)計各個功能按鍵，并通過液晶顯示屏，將打樁機的工作狀態(tài)實時顯示給用戶，方便用戶了解打樁機的工作狀態(tài)。常用的液晶顯示模塊主要分為圖形顯示和點陣顯示。本設(shè)計采用點陣液晶顯示模塊JRM 19264A。它主要采用動態(tài)驅(qū)動原理——控制器和段驅(qū)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(qū)動能力比較低，顯示模塊需要增加驅(qū)動芯片放大信號，提高帶載能力，使JRM 19264A正常工作。驅(qū)動芯片采用74LS245芯片。

4 沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
    根據(jù)沖孔打樁機的實際工作過程，設(shè)計該自動控制系統(tǒng)的軟件，本設(shè)計的沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)在開機初始化后，由施工人員對本自動控制系統(tǒng)的相關(guān)控制參數(shù)進行設(shè)置，之后便進入自動控制打樁過程：首先系統(tǒng)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(zhí)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(zhí)行“點剎車”動作，延時一段時間之后，再執(zhí)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(huán)往復(fù)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(yīng)，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(jié)語
    沖孔打樁機自動控制系統(tǒng)的研究對于加快社會建設(shè)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(jīng)驗顯然更加有效，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，不僅減少了生產(chǎn)事故的發(fā)生，而且滿足了現(xiàn)在人們對建筑施工質(zhì)量越來越高的要求。