基于單片機(jī)的機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)研究

郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000）

目前，自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，能夠勝任多種行業(yè)領(lǐng)域的不同工作。基于單片機(jī)的作用而得以實(shí)現(xiàn)的機(jī)電式自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，能夠支撐更多類型的調(diào)平方式。所以，在此基礎(chǔ)之上，技術(shù)人員對(duì)機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)做出了進(jìn)一步的深刻研究，用以開發(fā)更加科學(xué)、高效的機(jī)電調(diào)平裝置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)化、創(chuàng)新。

1 單片機(jī)發(fā)展概述

如今，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)主要面向三個(gè)基本方向——單片化、巨型化，網(wǎng)絡(luò)化。巨型機(jī)仍舊用以解決比較復(fù)雜的系統(tǒng)計(jì)算問題、以及高速的數(shù)據(jù)處理工作。所以，巨型機(jī)的開發(fā)主要集中在提高運(yùn)算速度和處理能力等方面。而單片機(jī)面世之際，其開發(fā)公司Intel公司就將其命名為“embedded?microcontroller”，即“嵌入式微型控制器”。因此，單片機(jī)能夠方便在嵌入到各類型的設(shè)備、儀器內(nèi)，便是優(yōu)勢(shì)所在。而且，這一方面也是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)無(wú)法替代的。

（1）數(shù)字單片機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如今，數(shù)字單片機(jī)在其內(nèi)部構(gòu)造、功率消耗，外部的電壓等級(jí)等方面均有所進(jìn)步，而且，其制作工藝方面也得以創(chuàng)新發(fā)展。某些行業(yè)越來(lái)越看重單片機(jī)的使用，需求愈發(fā)高漲，從而導(dǎo)致對(duì)單片機(jī)的要求也愈發(fā)復(fù)雜、全面。在單片機(jī)的內(nèi)部系統(tǒng)中現(xiàn)已集成、整合了眾多的部件，比如：定時(shí)器、比較器、蘊(yùn)CD控制器、串行通信接口、A/D轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器等。同時(shí)，某些單片機(jī)的內(nèi)部還配備了局部網(wǎng)絡(luò)的控制模塊CAN，能夠?qū)崿F(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)、或是直接構(gòu)成局部網(wǎng)的目的。

（2）單片機(jī)的功能優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)的更新速度非常快，而新型單片機(jī)消耗的功率越來(lái)越低。而且，大部分的單片機(jī)都已經(jīng)預(yù)先設(shè)置好了多種不同的工作方式，例如：暫停、等待、空閑、睡眠，節(jié)電等。以Philips公司設(shè)計(jì)出的型號(hào)為P87蘊(yùn)PC762的單片機(jī)為例。當(dāng)單片機(jī)在“空閑”狀態(tài)下時(shí)，其基本的消耗功率約為1.5mA。當(dāng)單片機(jī)設(shè)置為“節(jié)電”模式時(shí)，其實(shí)際的消耗功率僅為0.5mA。

（3）基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)。單片機(jī)，又被稱為“嵌入式微型控制器”，主要是因?yàn)樵谌魏喂ぷ餍问降奈⑿?、小型的設(shè)備儀器都能夠被嵌入使用?，F(xiàn)如今，越來(lái)越多的技術(shù)人員提倡將單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)與Internet相連接。為了完成這一提議，要做的就是將嵌入式系統(tǒng)的實(shí)踐活動(dòng)與傳統(tǒng)的Internet使用理論進(jìn)行一次創(chuàng)新化的顛倒。例如：為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)所控制的機(jī)床或是門鎖部位與Internet之間的完美連接，技術(shù)人員需要設(shè)計(jì)出全新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器僅用來(lái)服務(wù)于嵌入式微控制器的相關(guān)設(shè)備，待完成相連工作后，在利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控后續(xù)的工作過(guò)程。

2 機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)研究

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)電的調(diào)平方式主要分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種基本類型。手動(dòng)化的調(diào)平方式主要依靠于人工的調(diào)節(jié)，具體的調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)還需要多人的配合來(lái)進(jìn)行反復(fù)地技術(shù)操作。因此，該方法存在調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),操作難度較大的不足之處。而自動(dòng)化的調(diào)平方式則可以選用自動(dòng)的支撐、調(diào)平，撤收等方式，不僅可以有效地降低人工的投入數(shù)量，還能夠使實(shí)際的工作強(qiáng)度有所改善，并縮減了一定的工作時(shí)間。同時(shí)，自動(dòng)的調(diào)平方式也可以劃分為兩種基本類型——液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)可以承載更多的重量，但由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)際的控制工作存在一定的難度。而且，液壓油還存在泄漏的安全隱患問題，給日常的維護(hù)工作增添了不小的難度。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載雖然比不上前者，但其比較容易操作，控制，為維護(hù)工作帶來(lái)了方便，而且實(shí)際的成本也不高。

（1）構(gòu)建機(jī)電式的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。機(jī)電式的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的構(gòu)成主要依靠于平臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)和機(jī)械支撐傳動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合作用。機(jī)械支撐傳動(dòng)系統(tǒng)，其主要的構(gòu)成部件包括：支腿、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速裝置、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等，如圖1所示。平臺(tái)測(cè)量控制系統(tǒng)，其主要的構(gòu)成部件則包括：計(jì)算機(jī)、操控面板、電源控制器、各類傳感器、接口轉(zhuǎn)換器等。

圖1 機(jī)械支撐傳動(dòng)系統(tǒng)

（2）設(shè)計(jì)水平傳感器。水平傳感器，作為整個(gè)機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)中至關(guān)重要的構(gòu)成部件，其基本功能水平的高低將直接地影響到整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精準(zhǔn)度。以車輛為例，其實(shí)際的水平狀態(tài)能夠經(jīng)由水平傳感器而檢測(cè)出來(lái)。結(jié)合車輛底盤部位的剛性大小，機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)的水平傳感器則應(yīng)當(dāng)裝設(shè)在其急需重點(diǎn)調(diào)平的部位上。值得注意的是，水平傳感器安裝時(shí)的軸線誤差角不能超過(guò)2。

由于水平傳感器的類型眾多，進(jìn)行手動(dòng)式的調(diào)平工作時(shí)，往往會(huì)選用液位式的水平傳感器。液位式的水平傳感器主要依靠于液面水平恒定的基本原理，憑借水準(zhǔn)器來(lái)直接顯示出具體的角位移變化。其主要的構(gòu)成部件就是水準(zhǔn)器。水準(zhǔn)器由一個(gè)完全密封的玻璃管構(gòu)成，內(nèi)部留有一個(gè)氣泡，其玻璃管的表面位置上還刻有精準(zhǔn)的刻度數(shù)據(jù)。當(dāng)氣泡停留在兩端刻度線的中間位置時(shí)，即看作是水平位置。當(dāng)不處于水平位置時(shí)，若氣泡偏向較高的一端，則表明精準(zhǔn)度低，反應(yīng)速度慢。由于普通的擺式水平傳感器容易受到溫度變化的影響，無(wú)法確保相應(yīng)的精準(zhǔn)度。這就需要技術(shù)人員的高度重視，克服一切困難，設(shè)計(jì)出更加科學(xué)、高效的水平傳感器。

（3）開發(fā)支撐型調(diào)平控制技術(shù)。通常而言，要將某一平面調(diào)節(jié)到水平狀態(tài)，可采取的方法有很多，但這些方法基本可以被劃分為兩個(gè)基本類型，即單向調(diào)節(jié)和多點(diǎn)調(diào)節(jié)這兩種類型的調(diào)節(jié)方案。如果采用的是多點(diǎn)調(diào)節(jié)的方式，即各點(diǎn)保持同時(shí)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，使之能夠調(diào)整到一個(gè)比較合適預(yù)定點(diǎn)。該方法的優(yōu)勢(shì)在于調(diào)節(jié)速度快。但是，工作臺(tái)面往往都是四點(diǎn)支撐的剛性結(jié)構(gòu)，實(shí)施多點(diǎn)調(diào)節(jié)時(shí)，每一個(gè)支撐腿的實(shí)際位移和速度難以保持一致，而且，四個(gè)支撐腿之間的運(yùn)動(dòng)行徑還會(huì)發(fā)生相互的干涉、耦合作用。

而選用單向調(diào)節(jié)的方式時(shí)，縱然調(diào)節(jié)工作的時(shí)間比較長(zhǎng)，但其協(xié)調(diào)性能良好。在實(shí)際的調(diào)平過(guò)程中，真正需要調(diào)節(jié)的其實(shí)就是四個(gè)點(diǎn)的相對(duì)高度。秉承著使伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的死區(qū)影響和反向間隙得以消除的目的，適當(dāng)?shù)販p小相應(yīng)的調(diào)節(jié)誤差，提高整個(gè)機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)平精準(zhǔn)度。在實(shí)際的調(diào)節(jié)過(guò)程中，技術(shù)人員還要嚴(yán)格地按照水平傳感器的檢測(cè)信號(hào)，來(lái)判斷出支撐臺(tái)面真實(shí)的最高點(diǎn)位置，遵循著“只升不降”的操作原則，運(yùn)用升調(diào)平技術(shù)，使其余各點(diǎn)與最高點(diǎn)保持一致高度。如此一來(lái)，可以降低“虛腿現(xiàn)象”的出現(xiàn)概率。

（4）計(jì)算支撐腿結(jié)構(gòu)的剛性。當(dāng)支撐腿在實(shí)際工作過(guò)程中，其面臨的受壓負(fù)載過(guò)大時(shí)，技術(shù)人員若不及時(shí)地進(jìn)行相應(yīng)地改善、調(diào)整，必然會(huì)造成難以估量的后果。支撐腿的安裝是采用一端固定、另一端自由的外觀形式，因此，支撐腿必須要具備良好的剛性強(qiáng)度。一旦支撐腿出現(xiàn)了卡死現(xiàn)象，必然會(huì)對(duì)整個(gè)調(diào)平裝置造成極大的影響。所以，對(duì)支撐腿其結(jié)構(gòu)剛性的研究，也是技術(shù)人員不可忽視的重要工作環(huán)節(jié)。通過(guò)模擬出機(jī)電在真實(shí)環(huán)境狀態(tài)下的工作狀況，技術(shù)人員借助運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)和元分析技術(shù)設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其進(jìn)行深入地分析、研究，用以發(fā)現(xiàn)某些設(shè)計(jì)方面的不足之處、或是某些安全隱患問題。技術(shù)人員通過(guò)解決這些弊端，來(lái)制定出更加科學(xué)、合理的調(diào)平試驗(yàn)方案，以完善整個(gè)調(diào)平裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（5）檢測(cè)具體的行程位置。支撐腿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上會(huì)格外加設(shè)兩個(gè)機(jī)械式的限位開關(guān)，其上、下限的行程位置則會(huì)分別安裝一個(gè)限位開關(guān)，用以連接硬件電路，以構(gòu)成限位報(bào)警裝置。當(dāng)試驗(yàn)對(duì)象超出了一定的行程范圍時(shí)，通過(guò)接收自動(dòng)反饋信號(hào)，繼而阻止電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到限位保護(hù)的目的。同時(shí)，相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)上也可以加設(shè)適當(dāng)?shù)南尬谎b置，以實(shí)現(xiàn)“雙重保護(hù)”。

（6）檢測(cè)支撐腿力矩。通過(guò)一一檢測(cè)支撐腿力矩的實(shí)際尺寸、大小，不僅可以減少“虛腿”現(xiàn)象的方式，還可以使支撐腿免受其他限制因素的干擾。一旦支撐腿出現(xiàn)卡死的不良狀況，強(qiáng)行地驅(qū)動(dòng)支撐腿以保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必然會(huì)使伺服電機(jī)的負(fù)載過(guò)大，甚至是支撐腿本身出現(xiàn)一定程度的損壞現(xiàn)象，從而難以及時(shí)地完成調(diào)平工作。

（7）制定調(diào)平控制的規(guī)范算法。在實(shí)際的機(jī)電調(diào)平過(guò)程中，各個(gè)支撐腿之間的動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)影響。所以，必須要先解決好控制回路之間的耦合問題，從而使調(diào)平及時(shí)、順利地圓滿完成。這一環(huán)節(jié)的妥善解決，得益于一項(xiàng)全面、良好的反饋式控制算法，即在解耦之際，選定科學(xué)、有效的前饋式補(bǔ)償綜合法。該項(xiàng)方法的使用原理在于，將一個(gè)控制通道對(duì)另一個(gè)控制通道形成的影響看成是正常的一種擾動(dòng)作用，再結(jié)合擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用原理，以獲取符合其精準(zhǔn)度和時(shí)間要求的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

技術(shù)人員還對(duì)PID控制算法進(jìn)行一定的改進(jìn)型研究。該算法針對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)出的不同誤差區(qū)域，會(huì)“因地制宜”地選定合適的控制策略。當(dāng)測(cè)量出的誤差結(jié)果較大時(shí)，可以推動(dòng)系統(tǒng)快速、及時(shí)地朝消除誤差的方向前行，此舉，不僅能夠使系統(tǒng)的運(yùn)行速度得以提升，還可以減少積分飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)概率。而當(dāng)檢測(cè)出的誤差結(jié)果較小時(shí)，通過(guò)運(yùn)用智能型的PID控制算法，來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)在允許誤差范圍內(nèi)的實(shí)際穩(wěn)態(tài)特性。通過(guò)降低系統(tǒng)的部分穩(wěn)態(tài)誤差，提升系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，有利于處理、解決可能出現(xiàn)的積分飽和、微分突變等方面的問題。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，單片機(jī)的研究規(guī)模在不斷擴(kuò)大，具體的應(yīng)用技術(shù)也在隨之逐步更新。由此一來(lái)，基于單片機(jī)的機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)研究也得以全面、完善地順利開展，其最終的研究成果也將更加精確。由于調(diào)平裝置的運(yùn)用范圍極廣，而精準(zhǔn)的機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有利于調(diào)平裝置的技術(shù)研發(fā)，從而促進(jìn)我國(guó)機(jī)電行業(yè)的蓬勃發(fā)展。

［1］ 張付祥，陳萬(wàn)軍，孫書鵬.基于單片機(jī)的機(jī)電調(diào)平試驗(yàn)系統(tǒng)研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2015，（1）：105-108.

［2］ 謝明軍.車載雷達(dá)機(jī)電式自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（9）：108-109.

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