叉車屬具夾緊力智能控制系統(tǒng)

方錫崗 周孟然 胡鋒 孫磊

（1.安慶聯(lián)動屬具股份有限公司 安徽省安慶市 246001 2.安徽理工大學 安徽省淮南市 232000）

叉車屬具[1]（Forklift Truck Attachment）是裝卸、堆垛和搬運的高效自動化設備。隨著倉儲貨運額的不斷增加，工業(yè)中也就需要面對各種不同重量的貨物，并且搬動，堆垛情況各異，傳統(tǒng)的機械式四檔調(diào)壓閥存在調(diào)節(jié)壓力固定，只能進行四擋固定壓力值的輸出，逐漸不能滿足日益增長的需求[2][3][4]。對此本文設計一種更加精確高效的叉車屬具夾緊力智能控制系統(tǒng)，能夠通過閥的開度，根據(jù)流過油的流量來改變對應的壓力，進行液壓的反饋控制，經(jīng)過優(yōu)化后最終可以達到叉車屬具的無極調(diào)控從而改變叉車屬具的夾緊力大小。

1 系統(tǒng)總體方案設計

針對現(xiàn)有的機械式調(diào)壓閥（大多數(shù)為四檔，也有其他的多檔調(diào)壓閥）存在的壓力固定方面的不足，倉儲貨運行業(yè)對叉車屬具夾緊力提出了更廣范圍的調(diào)節(jié)壓力以及更加智能化、高效化、人性化的操作方式，同時也要保證高精度。正是因為工業(yè)現(xiàn)場需求的不斷增加，同時考慮到電氣化（電氣設備）的高度可控性，叉車屬具夾緊力的控制必須采用電氣化的配置方案，這樣可以實現(xiàn)更多壓力等級的控制（即更多的檔位），經(jīng)過優(yōu)化后最終可以達到叉車屬具夾緊力的無極調(diào)控。

本文設計的叉車屬具夾緊力智能控制系統(tǒng)是由STM32F429主控模塊和幾大主要模塊構成。STM32F系列核心模塊保證能實時對采集、輸入數(shù)據(jù)進行處理，準確輸出壓力。本設計采用人機交換界面控制系統(tǒng)，實現(xiàn)夾緊力的自動控制，通過觸摸屏幕上的圖形按鈕，借助液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

叉車屬具夾緊力智能控制系統(tǒng)的硬件設計對整個系統(tǒng)正常運行至關重要，系統(tǒng)中的每一個硬件模塊都發(fā)揮著各自不同的作用，想要讓所有硬件協(xié)調(diào)工作，STM32F429做為核心模塊起到至關重要的作用，相當于大腦的功能，他將多種電路模塊結合在一起，形成了完整體系的叉車屬具夾緊力智能控制硬件系統(tǒng)。

2.1 STM32F429模塊

本設計的叉車屬具電控系統(tǒng)，采用人機交換界面控制系統(tǒng)，實現(xiàn)夾緊力的自動控制。STM32F4是由ST（意法半導體）開發(fā)的一種高性能微控制器[5][6]。其采用了90 納米的NVM 工藝和ART（自適應實時存儲加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator?）。STM32F429系列芯片[7][8]內(nèi)部有一個LTDC液晶控制器，可以實現(xiàn)液晶面板的直接控制，無需額外增加設備；STM32F429系列芯片具有浮點運算單元。所以本文設計的叉車屬具控制系統(tǒng)的微處理器采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F4系列的STM32F429IGT6芯片。其芯片的引腳接線圖如圖2所示。

2.2 觸摸屏

圖1：叉車屬具夾緊力智能控制系統(tǒng)結構示意圖

圖2：STM32F429IGT6引腳接線圖

觸摸屏[9][10]（touch screen）是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，接觸連接觸頭以后，各種連結裝置將通過屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)按照已經(jīng)設定好的程序被驅動，可以取代機械式按鈕，并可制造出生動的影音效果。觸摸屏作為新型電腦輸入設備。它主要的特征有：

（1）透明，它可以直接影響到觸摸屏的視覺效果；

（2）觸摸屏具有一次到位的直觀性，并且它屬于絕對坐標系統(tǒng)，要選哪就直接點哪，與鼠標這類相對定位系統(tǒng)存在本質上的區(qū)別；

（3）檢測觸摸定位，大多數(shù)觸摸屏技術主要是依靠各自的傳感器來進行工作的。

通過工作的技術原理來進行區(qū)分[11][12]，觸摸屏一般可以分為矢量壓力傳感技術觸摸屏、電阻技術觸摸屏、電容技術觸摸屏、紅外線技術觸摸屏以及表面聲波技術觸摸屏這五大類。本系統(tǒng)使用的數(shù)字液晶屏為深圳斯坦德科技有限公司生產(chǎn)的7寸TN92型液晶屏，可以在STM32F429系列芯片自帶的LTDC模塊完全驅動。本設計中所使用的7寸電容屏原理圖如圖3所示。

2.3 頻率轉電壓模塊

考慮到STM32的電壓輸出不穩(wěn)定，同時驅動能力不足等缺點，本系統(tǒng)利用STM32自帶的定時/計數(shù)器PWM模式，與比較寄存器相配合，輸出脈寬可調(diào)的PWM信號，再通過PWM轉電壓模塊從而達到穩(wěn)定的輸出電壓。利用PWM波來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出的關鍵是，首先應根據(jù)實際情況，確定需要輸出的PWM波的頻率范圍。PWM波的頻率越高，經(jīng)過積分器輸出的電壓也就會越平滑。然后占空比的調(diào)節(jié)精度同樣很關鍵，精度越高，經(jīng)過積分器輸出的電壓也同樣就越平滑。考慮到PWM波的本身是數(shù)字脈沖波的這一特征，其中含有大量豐富的高頻成分，因此在使用過程中需要一個好的積分器，如有緣低通濾波器或者多節(jié)濾波器等。該PWM轉電壓轉換模塊，輸入PWM波的頻率為1-100khz，占空比為0-100%。輸出電壓為DC 0-10V，輸入的工作電壓為DC 12-30V，允許存在的誤差為5%。電路原理圖如圖4所示。

該模塊的主要技術指標如下：

（1）外形尺寸： 56 mm×26 mm×12 mm

（2）供電電壓： DC 13-24 V

（3）輸入頻率： 0-500 Hz，0-1 kHz，0-10 kHz，0-100 kHz

（4）輸出電壓： 0-5/10 V

（5）輸出電流： 5 mA

（6）響應時間： 300 ms

（7）環(huán)境溫度： -10～60 ℃

該系統(tǒng)所用頻率模塊的實物圖如圖5所示，模塊接線圖如圖6所示。

2.4 電源模塊

電源模塊作為嵌入式系統(tǒng)常用的電源供應器[13][14]，其主要是用來為微處理器、微控制器、特定集成電路、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、存儲器及其他常用的模擬量或者數(shù)字量負載提供電能供應。一般來說，這類模塊稱為負載點 (POL) 電源供應系統(tǒng)或使用點電源供應系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結構的優(yōu)點甚多，因此模塊化電源在通訊設備、智能儀表、工業(yè)控制以及航空航天等領域都有著廣泛的應用。本系統(tǒng)需要的電源電壓主要有2種類型：家用電瓶車產(chǎn)生出來的11-13V升壓成24V給頻率轉電壓模塊，電磁閥驅動模塊（電壓轉電流）以及電磁閥供電模塊；另外一個將11-13V降壓為5V的觸摸屏模塊和STM32F429主控制供電模塊。11-13V升壓成24V給頻率轉電壓模塊的電路如圖7（a）所示，11-13V降壓成5V如圖7（b）所示。

3 軟件設計

在前面的部分已經(jīng)詳細的介紹了叉車屬具夾緊力控制系統(tǒng)的整個硬件電路的設計思路。但是眾所周知一個性能優(yōu)越的控制系統(tǒng)，不僅包含硬件系統(tǒng)，并且還包括軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)是保證整個控制系統(tǒng)能夠正常工作的基礎，軟件系統(tǒng)同時也是保證整個控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的前提[15]。軟件部分主要分為核心控制板和控制子板，其中核心控制板采用了STM32F429為控制芯片，控制子板包括顯示屏、觸摸屏等。當核心控制板上電之后，需要對系統(tǒng)進行初始化，根據(jù)實際的任務需求以此來確定叉車屬具所需要的壓力等級，通過觸摸屏輸入壓力值并顯示在人機交互界面即電容顯示屏上；輸出PWM頻率波形經(jīng)過比例放大，對輸出電壓進行控制，經(jīng)過電壓-電流模塊，然后輸出穩(wěn)定電流控制比例溢流閥，從而實現(xiàn)控制壓力輸出。軟件系統(tǒng)的主程序流程圖如圖8所示。

4 結論

圖3：電容屏原理圖

圖4：頻率轉電壓模塊電路原理圖

圖5：頻率模塊實物圖

本文設計的是一種叉車屬具夾緊力智能控制系統(tǒng)，具體的實現(xiàn)方法是將傳統(tǒng)的機械閥用比例電磁閥來代替，并通過微處理器實現(xiàn)比例電磁閥的閉環(huán)控制，并在系統(tǒng)中加入人機交互。該夾緊力控制系統(tǒng)由硬件設計與軟件開發(fā)組成，硬件系統(tǒng)由電液比例溢流閥、STM32F429主控制單元、PWM轉電壓電路、電壓轉可控恒流源電路、電容觸摸屏控制系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)主要是對輸出產(chǎn)生的PWM信號進行輸出控制，以及處理從觸摸屏得到的輸入，完成從觸摸屏的顯示輸入到輸出壓力全過程的控制。相比較于傳統(tǒng)使用人力控制的叉車屬具，本產(chǎn)品主要實現(xiàn)了以下功能：

（1）實現(xiàn)了通過人機交互控制叉車屬具壓力快速精準輸出；

圖6：模塊接線原理圖

圖7：電源模塊電路圖

（2）與傳統(tǒng)只有四個固定檔位的機械液壓閥相比，本設計中的電流液壓閥具有相當寬的多級調(diào)檔范圍，并且可以實現(xiàn)快速且準確的連續(xù)可調(diào)；

（3）本系統(tǒng)所示的叉車屬具夾緊力控制系統(tǒng)系國內(nèi)首創(chuàng)，填補了國內(nèi)對這方面研究的空白，緊扣工業(yè)4.0時代的“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”兩大主題，緊跟“智能制造”時代潮流，具有相當大的市場價值。

圖8：主程序流程圖