張 軍，李 珂

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

輪緣與鋼軌軌距角間的磨耗主要是由機(jī)車運(yùn)行于曲線路段造成的，并且外軌側(cè)磨損最為嚴(yán)重，正確合理的軌道潤滑可以極大程度地減少車輪與鋼軌的磨損[1-2].目前國內(nèi)在空曠開闊環(huán)境中大量使用的道旁軌距面潤滑裝置如圖1所示.它包括太陽能供電系統(tǒng)、列車接近傳感器、控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分[3].這種潤滑裝置適用于小半徑曲線鋼軌和編組場道岔曲尖軌潤滑，具有涂覆位置準(zhǔn)確、設(shè)備維護(hù)方便等優(yōu)點.但其控制系統(tǒng)存在無法靈活調(diào)節(jié)潤滑劑量、功耗大等缺點.

本文設(shè)計一種基于STM32單片機(jī)的道旁軌距面潤滑控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)需要選擇型號為STM32F103VET的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心處理器.該單片機(jī)功能集成度高，包含多種接口(如多達(dá)80個通用IO端口、11個定時器和13路通信接口等)，與外界的擴(kuò)展連接非常方便.它可以通過連接各種傳感器獲取外部信息，通過連接電機(jī)驅(qū)動模塊控制電機(jī)運(yùn)動，也可以通過通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互.以該單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計的道旁軌距面潤滑控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)潤滑劑量的靈活調(diào)節(jié)，同時在檢測到?jīng)]有列車通過時輸出關(guān)閉機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源的控制指令，以降低系統(tǒng)功耗.

圖1 道旁軌距面潤滑裝置

1 潤滑控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于單片機(jī)的道旁軌距面潤滑控制系統(tǒng)框圖如圖2所示.STM32F103VET微控制器是該系統(tǒng)的核心，它具有ARM Cortex-M3內(nèi)核.進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時可將其工作頻率設(shè)置為72 MHz，并采用內(nèi)部FLASH存放運(yùn)行參數(shù).微控制器通過RS232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件測試和運(yùn)行參數(shù)的交互.該系統(tǒng)的工作狀態(tài)指示主要由LED指示燈完成，指示的內(nèi)容包括運(yùn)行、欠壓、缺料和故障.

圖2 潤滑控制系統(tǒng)框圖

STM32F103VET微控制器通過驅(qū)動模塊控制電機(jī)運(yùn)動；通過外部繼電器切斷機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源；利用控制器內(nèi)部的定時器和IO端口，連接列車接近傳感器、上下限位接近開關(guān)等模塊，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化運(yùn)行.

2 潤滑控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 基于ARM Cortex-M3的控制模塊

STM32F103VET微控制器是意法半導(dǎo)體公司在業(yè)界最先推出的高性能、低功耗、低成本的嵌入式32位處理器.其內(nèi)部集成3路具有12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器、高達(dá)512 kB的閃存器、13路通信接口等，有利于簡化控制系統(tǒng)外圍電路設(shè)計，可靠性更高，非常適用于功能豐富的智能道旁軌距面潤滑控制系統(tǒng).

2.2 RS232通信模塊

RS232是一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)，是數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口標(biāo)準(zhǔn).STM32F103VET微控制器和上位機(jī)進(jìn)行串口通信時，盡管STM32F103VET微控制器具有串行通信的功能，但其提供信號的電平和RS232的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.該潤滑控制系統(tǒng)能夠通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)微控制器與上位機(jī)之間的通信，并通過串口調(diào)試助手實現(xiàn)核心處理器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互.

2.3 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊硬件部分包括光電耦合器和電機(jī)驅(qū)動模塊L298N.其中，光電耦合器的型號為TLP291-4；電機(jī)驅(qū)動模塊L298N內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，用于驅(qū)動直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載[4].電機(jī)驅(qū)動電路如圖3所示.STM32F103VET主芯片的兩個通用IO端口通過光電耦合器分別與圖3中的A和B連接，作為電機(jī)驅(qū)動模塊的輸入端，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向.STM32F103VET主芯片使用內(nèi)部定時器產(chǎn)生一路PWM輸出，通過型號為PC410L0NIP的光電耦合器與電機(jī)驅(qū)動模塊L298N的使能端連接，用于控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié).

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路

2.4 列車接近傳感器

列車接近傳感器是一種電磁傳感器，它能夠直接從被測對象的機(jī)械運(yùn)動中測出電信號.列車接近傳感器通常被固定在鐵道上，通過導(dǎo)線將電信號傳入控制系統(tǒng).本設(shè)計選用的列車接近傳感器輸出信號為3～18 V的正弦交流電壓.列車接近傳感器電路如圖4所示.

圖4 列車接近傳感器電路

在圖4中，D10為SMBJ26CA瞬態(tài)抑制二極管，用于后續(xù)電路保護(hù)；MB6S是橋式整流器，列車接近傳感器輸出的正弦交流電壓由它轉(zhuǎn)換為直流電壓；PS2805-1是光電耦合器，包含一個砷化鎵二極管和一個光電晶體管，對STM32F103VET微控制器的GPIO口實現(xiàn)電氣隔離和保護(hù).

2.5 上下限位接近開關(guān)

當(dāng)列車駛?cè)霛櫥瑓^(qū)域時，列車接近傳感器檢測到列車到達(dá)信號，將信號傳遞給控制器，控制器驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始潤滑工作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將潤滑塊推入潤滑區(qū)域，對鋼軌內(nèi)側(cè)實施潤滑.隨著潤滑塊的逐漸上升，需要檢測潤滑塊的實際位置，用來監(jiān)控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行，同時也為下一步操作發(fā)出切換指令.接近開關(guān)在控制系統(tǒng)中是常用的傳感器元件，主要有以下幾種：電感式、電容式、霍爾式和光電式.本設(shè)計選用的是三線制的電感式接近開關(guān).

3 潤滑控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

潤滑控制的系統(tǒng)軟件以美國Keil Software公司的Keil μVision5為開發(fā)環(huán)境，使用嵌入式C語言編寫整個控制程序.根據(jù)道旁軌距面潤滑裝置功能要求設(shè)計的系統(tǒng)主程序流程如圖5所示.系統(tǒng)開機(jī)后，開始運(yùn)行電機(jī)、限位開關(guān)、列車接近傳感器等模塊的初始化程序，并訪問內(nèi)部FLASH，讀取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(包括運(yùn)行時間、休息時間和運(yùn)行速度).初始化程序完成后，系統(tǒng)程序開始在就緒、運(yùn)行和休眠3個狀態(tài)之間切換(圖6).當(dāng)系統(tǒng)檢測到上限位接近開關(guān)信號時，開始運(yùn)行復(fù)位程序；檢測到下限位接近開關(guān)信號時，開始運(yùn)行等待換料程序；直到操作人員更換好潤滑劑并按下復(fù)位按鍵，新的工作循環(huán)才開始.

程序主邏輯中運(yùn)用了狀態(tài)機(jī)的編程思路，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)在就緒、運(yùn)行、休眠3個狀態(tài)之間的靈活轉(zhuǎn)換.狀態(tài)機(jī)是軟件編程的一個重要概念.思路清晰而且高效的程序中通常有狀態(tài)機(jī)的存在.

圖5 系統(tǒng)主程序流程

圖6 系統(tǒng)狀態(tài)切換示意圖

3.2 RS232通信設(shè)計

STM32F103VET微控制器通過RS232串口與上位機(jī)連接，利用其自身的USART控制器完成通信.USART控制器使用之前需要初始化，初始化的主要任務(wù)是設(shè)置操作每個通道所需要的參數(shù).這些參數(shù)包括串口通信時數(shù)據(jù)串的數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位等.另外，還需要設(shè)置通信的波特率及中斷方式.在系統(tǒng)設(shè)計時，通信設(shè)置為接收完成中斷方式，波特率設(shè)置為常用的115 200 Bd/s；數(shù)據(jù)串設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位和無奇偶校驗.

RS232通信主要有兩大類：讀取運(yùn)行參數(shù)和傳感器信息；發(fā)送修改運(yùn)行參數(shù)指令.STM32單片機(jī)采集到的傳感器信息、運(yùn)行參數(shù)和報警信息等經(jīng)過處理傳送給上位機(jī).上位機(jī)通過串口調(diào)試助手查看STM32單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù).該控制系統(tǒng)的監(jiān)控信息如表1所示.上位機(jī)也可以通過串口調(diào)試助手發(fā)送特定格式的指令來修改控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù).

表1 控制系統(tǒng)的監(jiān)控信息列表

3.3 PWM電機(jī)控制設(shè)計

STM32F103VET微控制器具有強(qiáng)大的PWM輸出功能.當(dāng)TIMx_CNT向上(加1)計數(shù)累加到寄存器TIMx_CCRx確定的值時，PWM輸出通道便會實現(xiàn)電平的翻轉(zhuǎn)；當(dāng)TIMx_CNT被加載到TIMx_ARR寄存器時便會自動清零.因此，通過TIMx_ARR和TIMx_CCRx寄存器可確定PWM的周期和占空比[5].STM32單片機(jī)的PWM可分為模式1和模式2.當(dāng)模式1向上計數(shù)時，一旦 TIMx_CNT=TIMx_CCR1，通道1則為無效電平，否則為有效電平.當(dāng)模式2向上計數(shù)時，一旦TIMx_CNT=TIMx_CCR1，通道1則為有效電平，否則為無效電平.

該潤滑控制系統(tǒng)的電機(jī)控制采用模式2.定時器4選用CH2通道，頻率為200 Hz，占空比為50%.TIM4定時器輸出PWM的步驟如下：

步驟1 開啟TIM4時鐘及復(fù)用功能時鐘；

步驟2 設(shè)置GPIO；

步驟3 設(shè)置TIM4定時器的相關(guān)寄存器；

步驟4 設(shè)置TIM4定時器的PWM相關(guān)寄存器；

步驟5 使能TIM4.

完成了以上5個步驟就可以實現(xiàn)PWM的不同輸出，但其占空比是固定的.通過修改TIM4_CCR2可控制CH2的輸出占空比，從而實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié).修改占空比的代碼如下：

void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2)

{

assert_param(IS_TIM_LIST6_PERIPH(TIMx));

TIMx->CCR2 = Compare2;

}

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

所設(shè)計的道旁軌距面潤滑控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為控制器，通過專用電纜連接線驅(qū)動8路機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時工作，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控.其控制面板上帶有通用RS232接口，操作人員可以使用RS232連接線完成控制系統(tǒng)與上位機(jī)的連接，獲取控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、蓄電池電壓以及報警信息，并且可以根據(jù)車流量的大小，通過發(fā)送運(yùn)行參數(shù)修改指令，實現(xiàn)對潤滑劑量的靈活調(diào)節(jié).

5 結(jié)束語

道旁軌距面潤滑控制系統(tǒng)以基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET微處理器為核心，集成了列車接近傳感器、限位接近開關(guān)、電機(jī)驅(qū)動控制模塊、LED指示燈及RS232通信電路等.在相應(yīng)的軟件程序控制下，該潤滑控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控潤滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù).在檢測到?jīng)]有列車經(jīng)過時，控制系統(tǒng)能夠通過繼電器關(guān)閉機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的電源，有效降低了潤滑裝置的功耗.在噴涂潤滑劑量過多或不足的情況下，操作人員通過上位機(jī)可以調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，減少或增加潤滑劑的噴涂量，直至噴涂量合適為止.該控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)清晰等優(yōu)點.其設(shè)計應(yīng)用為道旁軌距面潤滑裝置的智能化控制提供了一種思路.

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