基于 DSP 的起重机械行走制动不平衡监测装置设计

起重机械大车行走机构主要完成重物的水平平面搬运任务，当行走机构两侧制动器制动不平衡时会出现车架法线方向与轨道铺设方向偏斜，导致车轮轮缘磨损、主梁端接处受大惯性冲击等问题，存在严重的安全隐患。国家现有标准规范仅对跨度大于40m的门式起重机有偏斜显示(限制)装置有强制设置要求，对于跨度小于40m的门式起重机和桥式起重机则没有要求。但由于制动不平衡所导致的启动和制动不同步问题却普遍存在于两侧独立驱动的起重机械实际使用中。行业内现有的偏斜显示(限制)装置是通过加装在两侧车轮上的旋转编码器将运行数据采集比较实现的，但这种方法安装调试相对复杂，价格较高，维护不便。针对使用环境恶劣的起重机工业应用现场，如何设计一种既安装简单、可靠有效，又价格低廉的偏斜显示(限制)装置呢?

1 制动不平衡程度表征对象模型

1.1制动不平衡产生机理分析

大车制动不平衡这一现象普遍存在于两侧独立驱动的起重机械启动和制动过程中，主要表现形式如图1所示。起重机初始状态为A，当进行启动或制动操作时， 如果存在大车行走机构两侧制动不平衡，车轮为双轮缘且与轨道间隙较小的情况下，起重机就会进入状态A。状态A下起重机状况表现为，车轮轮缘与轨道在行走惯性下挤压摩擦;支腿与主梁或端梁与主梁连接处在平衡状态下额外承受沿行走方向的惯性力剪切和沿主梁方向的拉伸。此时产生的偏斜距离d即可作为制动不平衡的表征对象，在这种结构下d的值虽然很小但是对起重机的危害却是最大的。

当车轮轮缘为单轮缘或双轮缘但与轨道间隙较大时，制动不平衡状态如图2所示。起重机从状态B进入到状态B。状态B下起重机状况表现为，车轮在惯性力作用下在轨道顶面发生沿轨道铺设方向法线方向的位移，轮缘与轨道在行走惯性下挤压摩擦;支腿与主梁或端梁与主梁连接处在平衡状态下额外承受沿行走方向的惯性力剪切和沿主梁方向的拉伸。此时产生的偏斜距离d较大，但正是因为车轮在轨道顶面的位移形成了一个缓冲过程，在一定程度上减轻了对主梁端接处的损害。

图 1 双轮缘小间隙下的制动不平衡状态

图 2 单轮缘或双轮缘大间隙下的制动不平衡状态

1.2制动不平衡程度表征对象模型建立

桥、门式各类起重机械国家标准和行业标准都对安装完成后车轮水平和垂直方向倾斜程度(倾斜角的正切值)范围作了规定，但对起重机整体偏斜量却未作明确规定，而且如果在实际使用过程中直接测量与采集车轮轴倾斜角度代价太大也不现实。本文通过分析标准要求内容和制动不平衡后起重机结构状态参数后确定将大车行走机构两侧偏斜量d作为制动不平衡程度的表征参数。d与跨度s 的比值即为车轮水平方向的倾角正切值，可用来判断车轮倾角是否超标;而d本身与厂家设计制造要求比较即可判断大车行走制动同步与平衡是否合适。

针对现有编码器采集距离信息带来的成本和后期维护保养问题，本文通过在固定车轮的端梁内侧腹板合适位置加装接近开关，在车轮轮缘合适位置布置一定数量金属贴片(如图3示意)，接近开关检测到金属贴片后上传到里的脉冲数与金属贴片固定位置的车轮周长关系即可作为车轮的行走距离数学模型基础。

当接近开关检测到金属贴片时，就向输入通道发送一个高定平信号(如图4所示)，脉冲数记为n。

图 3 接近开关和金属贴片布置示意图

图 4 接近开关检测脉冲计数

图 5 起重机械大车行走制动不平衡监测装置硬件结构图

在车轮轮缘预布置25枚金属贴片，此位置下车轮直径记为D。由此可得脉冲数与直径D圆周周长系数α ()/_D

(1)

当启动或制停时大车行走机构两侧从动轮行走距离1 计算模型如下式2所示。

ι=α * n (2)

制动不平衡程度表征对象d的计算式如下式3所示。

d= ι左-ι右 (3)

2 起重机械大车行走制动不平衡监测装置设计

2.1硬件设计

本文选用工业应用成熟的FRDM-K64F芯片作为主控芯片，基于起重机械大车行走制动不平衡监测装置的功能要求并结合工程应用实际，本文设计起重机大车行走制动不平衡监测装置硬件结构如图5所示。

设计图的左半部分为输入侧，主要包括对两侧车轮接近开关脉冲信号输入电路设计，对行走电机接触器状态开关量输入电路设计;中间部分为主控芯片;右半部分主要为输出侧，主要包括蜂鸣器报警输出电路设计和制动不平衡程度值数显电路设计;上下部分为供电电源电路设计。

其中，两侧车轮接近开关脉冲信号输入电路和行走电机接触器状态开关量输入电路设计如图6所示。

图 6 脉冲信号输入和开关量信号输入电路

图 7 蜂鸣器报警输出电路

图 8 制动不平衡程度值数显电路

蜂鸣器报警输出电路设计如图7所示。

本文设计的起重机械大车行走制动不平衡监测装置具有数据显示功能，但K64芯片的引脚不具有驱动能力， 因此需要为数码管的显示配置一个驱动芯片MAX7219。它是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器，它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED，在-40°C to +85°C 下工作。制动不平衡程度值数显电路设计如图8所示。

2.2 软件部分设计

基于制动不平衡度表征对象计算模型和起重机械大车行走制动不平衡监测装置功能要求，设计主控程序流程如图9所示。

图 9 主程序控制流程图

监测装置对控制柜大车行走控制接触器状态进行实时监测，操作人员发出的启动或停止指令通过接触器的响应状态被间接的检测和传送到输入接口，同时加装在大车行走机构两侧从动轮上的行走距离检测装置将脉冲信号实时传送给相应的输入接口;在得到起重机大车行走运行指令后，制动不平衡判断程序开始对两侧回传的脉冲信号进行处理计算并作代数差，差值结果取绝对值后与允许值进行比较判定是否出现制动不平衡且不平衡程度是否允许，差值的正负仅代表是哪一侧走的距离大;如果不平衡程度未超过允许值则程序没有输出继续循环扫描;如果不平衡程度超过允许值则程序执行将不平衡程度值输出显示并向起重机操作人员发出警告。

为防止程序飞车、起重机械大车行走制动不平衡监测装置死机，本文引入“看门狗”保护程序对程序运行进行保护。

3 结论与讨论

本文通过分析制动不平衡产生机理和原因，以大车行走机构两侧从动轮制动后行走距离为监测对象，基于嵌入式开发技术(DSP)设计了一种大车行走制动不平衡监测装置，该装置成本低廉、功能可靠、后期维护检查方便简单，且具有再次开发能力，为实现起重机整体控制集成提供了基础和可能，有极大的实际应用和推广价值。