冲孔打桩机的自动控制系统设计

摘要：为了提高建筑施工的工作效率，节约生产成本，从冲孔打桩机的工作原理出发，采用低功耗的S3C2440作为微控制器，利用直流电机作为执行机构，设计了一种冲孔打桩机自动控制系统。在整个系统的实现上，从机械改装设计、硬件原理以及软件实现等方面对系统进行设计，最终实现冲孔桩机自动打桩的功能。
关键词：冲孔打桩机；S3C2440；直流电机；自动控制

0 引言
    冲孔打桩机主要由桩锤、支架、卷扬机以及其他辅助设备组成，其工作原理是利用冲孔打桩机的卷扬机构，将电动机输出动力的回转运动转变为往复运动，通过钢丝绳来带动桩锤的提升，并在一定高度时使桩锤自由下落，利用桩锤的冲击作用冲挤土层或破碎岩石，同时钻渣随泥浆(或用取渣桶)排出，最后在地基土中形成桩孔。施工人员在桩孔内放置钢筋笼，灌注混凝土而制成桩。
    目前，冲孔打桩机的打桩作业均由人工手动机械式操纵来完成。操作人员在工作过程中需要频繁对离合装置、刹车装置等控制部件进行操纵，劳动强度很大。随着微电子技术和自动控制理论的发展，将自动控制技术应用于冲孔打桩机，实现打桩的全自动化或半自动化，使操作人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来成为可能。
    本文通过对冲孔打桩机原有手动控制系统的机械改装，并利用微控制器以及其他辅助元器件设计了一种冲孔打桩机自动控制系统。

1 冲孔打桩机控制系统的机械设计
1．1 离合和刹车控制系统的机械设计
    冲孔打桩机原有手动控制系统的执行机构主要包括离合操纵杆和刹车操纵杆。离合操纵杆闭合(简称“紧离合”)，桩锤将会被提升；刹车操纵杆闭合(简称“紧刹车”)，桩锤将会停止运动。在打桩机工作过程中，要避免离合操纵杆和刹车操纵杆同时闭合。该系统的执行装置可采用气动方式、液压方式和电机控制三种方式，为了方便起见，选择采用电机控制方式。
    电机选用直流电机，直流电机响应速度快，力矩大，并且体积小。改装时，将固定块和电机导轨固定在打桩机的底座上，电机旋转带动丝杠沿导轨运行。在原有人工作业方式下运行时，即手动模式下，控制杆收到远离刹车杆的位置，不影响人员操作。采用直流电机作为执行机构对刹车离合控制杆进行控制，微处理器根据位置传感器传回来的位置信息，对直流电机进行旋转控制，电机转动丝杠，带动控制杆运动，从而实现刹车与离合的自动控制。
1．2 传感器的安装
    冲孔打桩机原有桩锤提升的高度需要操作人员目测，在自动打桩控制系统中，使用2个霍尔器件为高度传感器，一个检测钢丝绳长度，另一个检测系统是否出现因卡锤故障引起的桩架提升。在卷扬机卷轴上按照一定的间隔，安装该设计系统用到的若干个磁铁，在桩架上靠近卷轴的位置处，安装检测钢丝绳长度的霍尔传感器；在桩架上安装检测卡锤故障的霍尔传感器。

1．3 电机保护器件的安装
    设计系统的卷扬机采用45 kW的三相异步电机，在电机的三相电中，使用其中两相对电机进行过流保护和继电保护，一相安装电流互感器，对电机的电流进行检测；另一相安装控制电机开关的继电器对电机的通断进行控制。

2 冲孔打桩机自动控制系统整体设计方案与技术指标
2．1 系统整体设计方案
    本文设计的原理框图如图2所示。

    冲孔打桩机自动控制系统工作时，施工人员首先对系统进行参数设定，微控制器根据设定的信息控制直流电机的运动，从而带动离合和刹车控制杆达到控制离合和刹车的目的。为了保证刹车和离合控制杆的精确运动，使用位置传感器对控制杆运动的位置进行反馈监控。同时，为了方便操作人员的监控，微控制器将打桩作业的相关参数通过液晶屏显示出来。
2．2 系统的技术指标
    (1)提升高度：0．30～3．5m；
    (2)提升精度：0．02 m；
    (3)刹车时间、离合时间精度：0．01s。

3 冲孔打桩机自动控制系统硬件电路设计
    根据冲孔打桩机自动控制系统原理图，设计硬件电路，如图3所示。系统的硬件电路设计遵循模块化的设计方法，主要包括控制器模块、电源模块、刹车控制模块、离合控制模块、电机控制模块、人机接口模块及其他保护电路等。

    (1)控制器模块。系统的微控制器采用拥有低功耗模式的S3C2440，它是Samsung公司以ARM为架构推出的ARM920T的微处理器核心，拥有16 KB的资料快取和16 KB的指令快取、MCU快取，它有固定的32 b运算码宽度，能降低编码数量所产生的消耗，可以减轻解码和管线化的负担，大多均为一个时间周期执行，有强大的索引定址模式，它精简且快速的2-priori-ty-le Vel中断子系统，具有可切换的暂存器组，它支持ARM处理器16-bit(Thumb)指令模式。工作频率为499 MHz，最高工作频率可达533 MHz。
    (2)电源模块。在设计系统中有多种电压，电源电压分为直流1．8 V，3．3 V，5 V，和交流220 V几种。其中1．8 V用于微控制器的内核供电；3．3 V用于微控制器的外设I／O口线供电；5 V用于其他大部分芯片供电；24 V为外围接口电路供电；交流220 V用于AC—DC(220 V转24 V)供电。电源电路主要经过稳压芯片稳压和电容滤波。主要电路如图4和图5所示。

    图中R为0 Ω，C1为25 V 100μF的电解电容，C2为104独石电容，C3，C4为CBB电容，C5为50 V470μF的电解电容，Z为防雷管，F为保险，L1和L2组成共模扼流圈，L3，L4为差模电感。
    (3)刹车控制系统模块。刹车、离合电机的控制归根到底都是对电机的控制，由于需要控制电机的通断，所以控制也只需要简单的继电器控制，故采用普通I／O口和功率晶体管即可，如图6所示，F为保险，Z为防雷管，Q为晶体管BCP56。

    (4)离合控制系统模块。离合控制的设计方案和刹车控制的设计方案相似。
    (5)卡锤检测模块。在打桩机工作过程中，要实时采集打桩机的高度和速度信号，以便对桩机进行控制。本设计中采用霍尔传感器对高度进行测量，在打桩机运行过程中，工作环境复杂多变，有时会造成卡锤和吸锤等故障，此时及时检测此类信号，并反馈给微控制器，以便及时调整控制策略，提高打桩机的工作效率。
    (6)电机保护电路的设计。系统采用45 kW的三相异步电机，它是提锤升降的动力来源。电机保护电路的设计对于整个系统来说非常重要。电机保护电路的设计主要包括2个方面：
    一是电机的过流保护，电机在起锤和突然启动时会产生大的电流，在本设计系统中，采用电流互感器来检测起锤的电流信号，以及实现对电机的过电流保护；
    二是电机的继电保护，采用继电器来控制电机的电源开关，以便在紧急情况下对电机和整个系统进行保护。
    (7)人机接口模块。根据用户需求，设计各个功能按键，并通过液晶显示屏，将打桩机的工作状态实时显示给用户，方便用户了解打桩机的工作状态。常用的液晶显示模块主要分为图形显示和点阵显示。本设计采用点阵液晶显示模块JRM 19264A。它主要采用动态驱动原理——控制器和段驱动使192(列)×64(线)全点阵液晶显示器。
    由于从单片机并行端口输出的控制信号驱动能力比较低，显示模块需要增加驱动芯片放大信号，提高带载能力，使JRM 19264A正常工作。驱动芯片采用74LS245芯片。

4 冲孔打桩机自动控制系统的软件实现
    根据冲孔打桩机的实际工作过程，设计该自动控制系统的软件，本设计的冲孔打桩机自动控制系统在开机初始化后，由施工人员对本自动控制系统的相关控制参数进行设置，之后便进入自动控制打桩过程：首先系统检测到起锤信号后，程序进入中断，开始“紧离合”动作，拉动桩锤上升，达到一定高度后，执行“松离合”动作，使桩锤自由落体实施冲击打桩，到达孔底时，执行“点刹车”动作，延时一段时间之后，再执行“紧离合”动作，拉动桩锤上升，完成一个周期的打桩过程，自动打桩工作的完成就是这样循环往复进行的。在软件中，每个周期之后的余绳长度及提锤高度是不同的，利用余绳控制算法对钢丝绳的收放线进行控制，由于需要刹车离合控制的高速响应，因此刹车和离合的控制均在控制器的中断中完成。软件主流程图如图7所示。

5 结语
    冲孔打桩机自动控制系统的研究对于加快社会建设有着非常重要的意义，它降低了施工人员的工作强度，提高了施工的工作效率，依靠微控制器来控制施工比依靠人的经验显然更加有效，在节约成本的基础上，不仅减少了生产事故的发生，而且满足了现在人们对建筑施工质量越来越高的要求。