机电一体化在工程机械中的技术应用分析

赵雷

黑龙江技师学院  158100

摘要：当前，我国工程机电一体化技术正迅速发展，机电一体化技术的广泛应用使多个学科进行交叉和渗透，并不断推动机械工程、电子技术、自动控制等专业领域的突破，机电一体化技术在很大程度上实现了工程机械的自动化、模块化、数字化的高效施工，使企业进一步提高了工程的施工质量、降低了施工成本、缩短了施工周期，为行业在市场中的竞争集聚了一定优势。

关键词：一体化；机械；工程

1机电一体化在工程施工机械中的应用

1.1节能机械应用

公路工程施工中所用到的机械设备通常采用两种方式获得动力：一种是燃油(汽油或柴油)型，另一种是燃料电池(可充电电池)型。近5年出厂的公路施工机械设备(如挖掘机、压路机、摊铺机等)一般均以燃料电池为动力方式，即所谓的电动型施工机械。此种类型的公路施工机械在节能方面具有强大的特点，这得益于机电一体化技术在燃料电池组控制方面的成功应用。例如，在电动型挖掘机的使用中，需要综合考虑动力和节能等问题，机电一体化技术的电控模块具有根据土方深度和强度调节输出功率(动力)的自反馈功能，类似于空调或汽车领域中的变频控制功能，但不同点在于机电一体化技术中的自反馈功能是完全基于目标定位而实现的直接功能，省去了“变频”这一环节，其意义在于反馈的初始环节中，无须驱动信号的启动源，即省去了这部分能量消耗，主要侧重于电控全过程中的能量动态、均匀分布，节能效果非常明显。因此，各种类型的挖掘机体积都不大，却能够保证公路施工时所需的强大挖掘功率，同时兼顾节能问题，这其中机电一体化技术发挥了强大的作用。

1.2监控设备应用

为保证公路工程的施工质量和施工安全，在施工现场的重要位置布设有多台监控设备，定点施工位置的监控设备主要是以摄像头为主，而在流动式的施工监测中，所用到的施工监控设备还包括全站仪和示波器等，在流动的卡车、搅拌车、叉车及其他运输车辆中，特别是司机视线的盲区也应安装摄像头，这些监控设备种类繁多、型号多样，但核心功能都是以实现动态可视化的监测为目的。机电一体化技术在监控设备领域的成功应用，使得监控设备不再局限于单一的监测用途，而是在监测基础上融合了功能强大的报警和决策功能。例如，搅拌车或卡车的盲区位置安装的监控设备，不仅具有画面监视功能，对于摄像头无法覆盖的区域还配置有红外传感器，专门用于人体的识别和检测，机电一体化技术将监控设备、红外线传感设备、报警设备进行深度集成，是监控设备在公路工程施工中的一次颠覆性应用。

1.3检测机械应用

自动检测机械是机电一体化技术在工程施工中的应用代表，主要用于子系统检测、系统运行可靠性检测等领域。当施工机械设备开机后，自动检测系统开始进行自检，自检过程由既定的程序指引，以综合判断子系统的运行工况，如果其中某个系统出现故障，搭载机电一体化技术的自动跟踪和报警模块会被触发，现场施工技术人员会第一时间发现并处理问题，避免了施工故障进一步扩大，保证了后续施工的顺利进行。

2工程机电系统核心组件的选型与设计

2.1单片机

单片机主要是由并行8255端口控制系统的信号处理，信号处理一般包括接收系统的对转矩、阀门的开启和关闭等，此外阀门的开度也需要设定信号进行处理，最终提供三相PWM波发生器在工程施工中所需的各类控制信号。单片机还可实现对IPM发出的警报及故障信号的处理任务，模拟接口输入的电压、电流和电位等检测信号，提供工程施工中各设备运转的状态信号，还有执行施工命令的控制信号和施工进度及质量的反馈信号等，可选用INTEL公司所生产的8031型单片机。

2.2三相PWM波发生器

三相PWM波可通过模拟及数字两种方式获取，其中模拟方法较为复杂，并且通常伴有温漂情况发生，获取的三相PWM波精度较低，对控制系统的性能具有一定影响。数字方法获取PWM波是以不同计算模型为基础得出各切换点而后存入内存，由查询表和相关公式产生PWM波，但这种方法占有较大的内存，在保证控制系统的精度方面效果不理想。因此，为使工程施工中各机械设备的智能功率模块能够获得高质量的PWM波控制信号，使微处理器有充足时间完成各系统运行状态的检测、保护等功能，拟选用MITEL公司生产的SA8282型三相PWM波发生器。该类型PWM波发生器属于工程施工中专用的大规模集成化电路系统，拥有独立的微处理器接口且芯片组内部含有波形、频率和幅值等相关控制信息，便于工程技术人员查找和使用。

2.3电压、电流检测

对电压、电流等参数进行检测的目的是为了评估电机的力矩情况，当工程机械的变频器出现短路、断路及其他模块故障时可以进行分析和排查。变频器输出的信号频率范围通常为0~50Hz，使用常规类型的CT(电流互感器)或PT(电压互感器)无法达到要求，为获得电流、电压的真实数值，可使用霍尔型CT检测IPM输出的实际三相电流大小，使用分压电路对IPM的输出电压进行检测。

2.4通信接口

为实现工程机械中的工控机联网及远程终端的控制功能，机械设备的控制单元应具有相应的通信接口，接口分为串行接口和并行接口两种，由于系统兼容性等问题，并行接口在当前的各类计算机系统中的使用已不多见。可选用MAX232作为控制系统的通信接口(串行)，MAX232内部含有多个同类型的电平转换电路，能够将8031串行口发出的TTL电平转换成RS232标准电平，也可将其他工控机传输过来的RS232电平转换为TTL电平，再传回至8031，以此实现单片机和其他工控机之间的通信。

2.5时钟电路及液晶显示

时钟电路可为工程机械的控制系统提供采样和控制周期，同时包含施工速度的计算和日历、时间等常用功能，为获得更长时间的数据保持、备份能力，可选用DS12887型时钟电路，其内部的RAM具有114字节的非易失性保护模组。为方便施工现场指挥人员进行统筹调度，应在控制系统配置液晶显示单元以实现良好的人机交互模式。可使用MGLS12832型液晶模块组成显示电路，以组态的方式呈现给使用者，使用者通过浏览菜单可对工程机械设备的电机、限位、力矩及通信参数进行调试或修改，使用图文结合的显示方式更为直观和清晰。

4.6程序故障自恢复电路

程序故障自恢复电路能够使工程机械设备在运转异常或发生程序故障时自动还原系统，使系统重新恢复正常使用，MAX705型程序故障自恢复电路运行工况比较稳定，由与非门和微分、差分电路构成。当系统程序出现故障时，WDO由高位变成低位，差分电路的使能作用将与非门引脚变为高电平，引脚电位的变化使与非门发出相应的正脉冲，此时单片机收到正脉冲后进行一次复位，复位完成后由程序通过通信端口向MAX705的WDI引脚发送正脉冲，WDO的引脚变为高电平，程序故障自恢复电路对程序的运行情况进行不间断监测，当再次发现程序运行故障时，将重复上述步骤，直至程序恢复正常为止，保证工程机械的正常运转。

结束语

机电一体化技术的关键在于系统组件的选型与设计，应由不同工程中机械设备使用的不同需求完成系统组件的选型工作，使机械设备在工程施工中发挥出最大的作用，最终实现智能化、精细化的施工愿景。

参考文献

[1]李昀泽.工程机械机电一体化技术的发展思考[J].信息记录材料,2022,23(02):32-34.

[2]罗日钦.机电一体化技术在工程机械中的应用[J].南方农机,2021,52(24):141-143.