基于单片机的机电调平试验系统研究

郭志冬

（三门峡职业技术学院 电气工程学院，河南 三门峡 472000）

目前，自动调平系统的应用愈发广泛，能够胜任多种行业领域的不同工作。基于单片机的作用而得以实现的机电式自动调平系统更具优势，能够支撑更多类型的调平方式。所以，在此基础之上，技术人员对机电调平试验系统做出了进一步的深刻研究，用以开发更加科学、高效的机电调平装置，从而实现机电领域内的优化、创新。

1 单片机发展概述

如今，计算机系统的技术开发主要面向三个基本方向——单片化、巨型化，网络化。巨型机仍旧用以解决比较复杂的系统计算问题、以及高速的数据处理工作。所以，巨型机的开发主要集中在提高运算速度和处理能力等方面。而单片机面世之际，其开发公司Intel公司就将其命名为“embedded?microcontroller”，即“嵌入式微型控制器”。因此，单片机能够方便在嵌入到各类型的设备、仪器内，便是优势所在。而且，这一方面也是巨型机和网络无法替代的。

（1）数字单片机的技术优势。如今，数字单片机在其内部构造、功率消耗，外部的电压等级等方面均有所进步，而且，其制作工艺方面也得以创新发展。某些行业越来越看重单片机的使用，需求愈发高涨，从而导致对单片机的要求也愈发复杂、全面。在单片机的内部系统中现已集成、整合了众多的部件，比如：定时器、比较器、蕴CD控制器、串行通信接口、A/D转换器，D/A转换器等。同时，某些单片机的内部还配备了局部网络的控制模块CAN，能够实现控制网络、或是直接构成局部网的目的。

（2）单片机的功能优势。单片机的更新速度非常快，而新型单片机消耗的功率越来越低。而且，大部分的单片机都已经预先设置好了多种不同的工作方式，例如：暂停、等待、空闲、睡眠，节电等。以Philips公司设计出的型号为P87蕴PC762的单片机为例。当单片机在“空闲”状态下时，其基本的消耗功率约为1.5mA。当单片机设置为“节电”模式时，其实际的消耗功率仅为0.5mA。

（3）基于单片机的嵌入式系统。单片机，又被称为“嵌入式微型控制器”，主要是因为在任何工作形式的微型、小型的设备仪器都能够被嵌入使用。现如今，越来越多的技术人员提倡将单片机的嵌入式系统与Internet相连接。为了完成这一提议，要做的就是将嵌入式系统的实践活动与传统的Internet使用理论进行一次创新化的颠倒。例如：为了实现单片机所控制的机床或是门锁部位与Internet之间的完美连接，技术人员需要设计出全新的网络服务器仅用来服务于嵌入式微控制器的相关设备，待完成相连工作后，在利用网络浏览器来实时监控后续的工作过程。

2 机电调平试验系统的相关研究

一般来说，机电的调平方式主要分为手动和自动两种基本类型。手动化的调平方式主要依靠于人工的调节，具体的调节过程时还需要多人的配合来进行反复地技术操作。因此，该方法存在调节时间过长,操作难度较大的不足之处。而自动化的调平方式则可以选用自动的支撑、调平，撤收等方式，不仅可以有效地降低人工的投入数量，还能够使实际的工作强度有所改善，并缩减了一定的工作时间。同时，自动的调平方式也可以划分为两种基本类型——液压驱动和电机驱动。液压驱动可以承载更多的重量，但由于其系统结构较为复杂，实际的控制工作存在一定的难度。而且，液压油还存在泄漏的安全隐患问题，给日常的维护工作增添了不小的难度。而电机驱动的负载虽然比不上前者，但其比较容易操作，控制，为维护工作带来了方便，而且实际的成本也不高。

（1）构建机电式的自动调平系统。机电式的自动调平系统的构成主要依靠于平台测量控制系统和机械支撑传动系统的联合作用。机械支撑传动系统，其主要的构成部件包括：支腿、传动机构、减速装置、伺服电机、伺服驱动器等，如图1所示。平台测量控制系统，其主要的构成部件则包括：计算机、操控面板、电源控制器、各类传感器、接口转换器等。

图1 机械支撑传动系统

（2）设计水平传感器。水平传感器，作为整个机电调平试验系统中至关重要的构成部件，其基本功能水平的高低将直接地影响到整个系统的实际调平时间和调平精准度。以车辆为例，其实际的水平状态能够经由水平传感器而检测出来。结合车辆底盘部位的刚性大小，机电调平试验系统的水平传感器则应当装设在其急需重点调平的部位上。值得注意的是，水平传感器安装时的轴线误差角不能超过2。

由于水平传感器的类型众多，进行手动式的调平工作时，往往会选用液位式的水平传感器。液位式的水平传感器主要依靠于液面水平恒定的基本原理，凭借水准器来直接显示出具体的角位移变化。其主要的构成部件就是水准器。水准器由一个完全密封的玻璃管构成，内部留有一个气泡，其玻璃管的表面位置上还刻有精准的刻度数据。当气泡停留在两端刻度线的中间位置时，即看作是水平位置。当不处于水平位置时，若气泡偏向较高的一端，则表明精准度低，反应速度慢。由于普通的摆式水平传感器容易受到温度变化的影响，无法确保相应的精准度。这就需要技术人员的高度重视，克服一切困难，设计出更加科学、高效的水平传感器。

（3）开发支撑型调平控制技术。通常而言，要将某一平面调节到水平状态，可采取的方法有很多，但这些方法基本可以被划分为两个基本类型，即单向调节和多点调节这两种类型的调节方案。如果采用的是多点调节的方式，即各点保持同时运动的状态，使之能够调整到一个比较合适预定点。该方法的优势在于调节速度快。但是，工作台面往往都是四点支撑的刚性结构，实施多点调节时，每一个支撑腿的实际位移和速度难以保持一致，而且，四个支撑腿之间的运动行径还会发生相互的干涉、耦合作用。

而选用单向调节的方式时，纵然调节工作的时间比较长，但其协调性能良好。在实际的调平过程中，真正需要调节的其实就是四个点的相对高度。秉承着使伺服传动系统的死区影响和反向间隙得以消除的目的，适当地减小相应的调节误差，提高整个机电调平试验系统的调平精准度。在实际的调节过程中，技术人员还要严格地按照水平传感器的检测信号，来判断出支撑台面真实的最高点位置，遵循着“只升不降”的操作原则，运用升调平技术，使其余各点与最高点保持一致高度。如此一来，可以降低“虚腿现象”的出现概率。

（4）计算支撑腿结构的刚性。当支撑腿在实际工作过程中，其面临的受压负载过大时，技术人员若不及时地进行相应地改善、调整，必然会造成难以估量的后果。支撑腿的安装是采用一端固定、另一端自由的外观形式，因此，支撑腿必须要具备良好的刚性强度。一旦支撑腿出现了卡死现象，必然会对整个调平装置造成极大的影响。所以，对支撑腿其结构刚性的研究，也是技术人员不可忽视的重要工作环节。通过模拟出机电在真实环境状态下的工作状况，技术人员借助运动仿真技术和元分析技术设计出了相应的结构模型，对其进行深入地分析、研究，用以发现某些设计方面的不足之处、或是某些安全隐患问题。技术人员通过解决这些弊端，来制定出更加科学、合理的调平试验方案，以完善整个调平装置的优化设计。

（5）检测具体的行程位置。支撑腿的内部结构上会格外加设两个机械式的限位开关，其上、下限的行程位置则会分别安装一个限位开关，用以连接硬件电路，以构成限位报警装置。当试验对象超出了一定的行程范围时，通过接收自动反馈信号，继而阻止电机的运转，以达到限位保护的目的。同时，相关机械结构上也可以加设适当的限位装置，以实现“双重保护”。

（6）检测支撑腿力矩。通过一一检测支撑腿力矩的实际尺寸、大小，不仅可以减少“虚腿”现象的方式，还可以使支撑腿免受其他限制因素的干扰。一旦支撑腿出现卡死的不良状况，强行地驱动支撑腿以保持运动状态，必然会使伺服电机的负载过大，甚至是支撑腿本身出现一定程度的损坏现象，从而难以及时地完成调平工作。

（7）制定调平控制的规范算法。在实际的机电调平过程中，各个支撑腿之间的动作都会产生联动影响。所以，必须要先解决好控制回路之间的耦合问题，从而使调平及时、顺利地圆满完成。这一环节的妥善解决，得益于一项全面、良好的反馈式控制算法，即在解耦之际，选定科学、有效的前馈式补偿综合法。该项方法的使用原理在于，将一个控制通道对另一个控制通道形成的影响看成是正常的一种扰动作用，再结合扰动补偿的应用原理，以获取符合其精准度和时间要求的相关试验数据。

技术人员还对PID控制算法进行一定的改进型研究。该算法针对系统检测出的不同误差区域，会“因地制宜”地选定合适的控制策略。当测量出的误差结果较大时，可以推动系统快速、及时地朝消除误差的方向前行，此举，不仅能够使系统的运行速度得以提升，还可以减少积分饱和现象的出现概率。而当检测出的误差结果较小时，通过运用智能型的PID控制算法，来稳定系统在允许误差范围内的实际稳态特性。通过降低系统的部分稳态误差，提升系统的精准度，有利于处理、解决可能出现的积分饱和、微分突变等方面的问题。

3 结语

随着我国科学技术水平的飞速发展，单片机的研究规模在不断扩大，具体的应用技术也在随之逐步更新。由此一来，基于单片机的机电调平试验系统研究也得以全面、完善地顺利开展，其最终的研究成果也将更加精确。由于调平装置的运用范围极广，而精准的机电调平试验数据，有利于调平装置的技术研发，从而促进我国机电行业的蓬勃发展。

［1］ 张付祥，陈万军，孙书鹏.基于单片机的机电调平试验系统研究［J］.制造业自动化，2015，（1）：105-108.

［2］ 谢明军.车载雷达机电式自动调平系统的设计［J］.电子设计工程，2016，24（9）：108-109.

［3］ 陈尚国，孙英华，黄新成.基于PCC控制的机电式调平系统设计［J］.新技术新工艺，2017，（12）：9-11.