一种沥青混合料的智能震动搅拌机构及震动控制方法

本发明涉及沥青震动搅拌领域，具体为一种沥青混合料的智能震动搅拌机构及震动控制方法。

背景技术：

1、沥青混合料是公路、市政道路建设的核心铺装材料，其搅拌均匀性直接决定沥青和集料的裹覆率，是影响路面使用寿命、抗水损害能力与抗车辙性能的关键工序，震动搅拌通过在搅拌过程中对混合料施加周期震动，破坏集料间的结拱、减少沥青胶浆团聚，能够提升搅拌效率、降低混合料的离析率。

2、现有沥青混合料震动搅拌机构主要分为两类：一类为偏心块式震动机构，通过在搅拌轴端部加装偏心块随轴转动产生径向震动，但该类机构的偏心震动力会持续作用于轴承与端盖密封件，导致轴承磨损快、密封件易漏料；另一类为冲击式震动机构，通过电机急启急停、正反转切换产生传动冲击实现震动，但该类机构的转速切换为阶跃式跳变，电机瞬时冲击电流可达额定电流的5～7倍，易造成电机绕组过热损坏，同时传动件受刚性冲击，键连接、配合面疲劳寿命短。

3、现有震动搅拌机构的控制方案普遍存在以下缺陷：首先是转速切换无平滑过渡，加减速段加速度突变，不仅冲击电机与传动件，还会导致撞击力度不稳定，易造成集料破碎或震动力不足，其次是在对搅拌轴测速时，多采用加装编码器的方式，无法检测间隙导致的搅拌轴转速误差，测速精度较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种沥青混合料的智能震动搅拌机构及震动控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种沥青混合料的智能震动搅拌机构，包括搅拌仓，所述搅拌仓内通过轴承转动连接搅拌轴，搅拌轴上固定连接搅拌叶片，搅拌轴通过搅拌电动机驱动其转动，搅拌电动机通过处理器接收信号然后控制其按照指定频率运行，搅拌轴的一端伸出搅拌仓并与从动盘固定连接，从动盘远离搅拌仓的一侧固定连接若干个限位杆。

3、所述搅拌电动机的输出轴固定连接驱动盘，驱动盘远离搅拌电动机的一侧设置有若干个限位槽，限位槽的数量与位置均与限位杆一一对应，限位槽的长度比限位杆的截面长，限位杆与限位槽接触连接。

4、所述搅拌电动机固定连接在支架上，支架外侧固定连接处理器。

5、优选的，所述搅拌轴上固定连接若干个混合叶片。

6、优选的，所述从动盘的外轮廓上固定连接若干个计数条，所述支架在计数条的位置处固定连接相机。

7、优选的，所述搅拌仓靠近搅拌电动机端面的中部通过螺栓固定连接嵌入式端盖，搅拌仓远离搅拌电动机端面的中部通过螺栓固定连接封闭式端盖，嵌入式端盖与搅拌轴之间安装有一个轴承，封闭式端盖与搅拌轴之间安装有另一个轴承。

8、优选的，所述搅拌仓的上侧固定连接入料口，入料口与搅拌仓相互连通，搅拌仓的下侧固定连接出料口，出料口与搅拌仓相互连通，所述入料口与出料口分别位于搅拌仓的两端。

9、优选的，所述处理器内预设有周期性高低速平滑切换的转速控制函数，驱动限位杆在长度大于自身截面的限位槽内沿周向周期性撞击，使搅拌轴产生周向震动，转速控制函数为连续可导的周期函数，单个控制周期t内的输出转速满足：

10、升速段（）：

11、高转速保持段（）：

12、降速段（）：

13、

14、低转速保持段（）：

15、其中，高转速取值为80～120r/min，低转速取值为20～40r/min，升速段时长与降速段时长相等，取值为0.2～0.5s，高转速保持时长与低转速保持时长相等，取值为1～2s，控制周期。

16、本发明的另一方面提供一种沥青混合料的智能震动搅拌机构的震动控制方法，所述搅拌电动机为变频调速伺服电机，处理器通过与之电连接的伺服驱动器按以下时序分阶段实现转速闭环控制，完整控制步骤为：

17、s1.设定转速生成与初始开环驱动：搅拌启动时，处理器首先生成权利要求6所述的周期性设定转速曲线，在相机未采集到足够计数条、无法计算有效实际转速时，直接以设定转速作为目标转速，按恒压频比控制方式输出驱动信号，带动搅拌电动机从静止开始转动，通过驱动盘、限位杆带动从动盘同步转动；

18、s2.实际转速检测：搅拌电动机转动后，相机以固定帧率连续采集从动盘边缘图像，对经过视场基准线的计数条进行累计计数，当累计经过的计数条数量达到k个时，按权利要求7的测速公式计算得到第一个有效实际转速；

19、s3.闭环补偿驱动：得到有效实际转速后，自动切入双闭环控制，将实际转速代入权利要求8的间隙前馈+pid补偿算法，计算得到补偿后的最终目标转速，通过伺服驱动器输出对应电参数控制搅拌电动机转动，之后每更新一次实际转速，重复计算补偿量并更新搅拌电动机驱动信号，形成循环控制；

20、所述搅拌电动机转速控制的可调参数集合包括：高转速设定值、低转速设定值、升速时长、降速段时长、高转速保持时长、低转速保持时长、控制周期t、转矩限幅系数、转差补偿系数、压频比系数；

21、其中：转矩限幅系数取值为1.5～2.0，转差补偿系数取值为0.02～0.05；

22、所述转速调控的直接可控执行变量为伺服驱动器输出至搅拌电动机定子的三相供电频率与供电电压幅值u，处理器根据当前阶段的目标转速按恒压频比关系输出对应控制量：

23、，

24、其中开环驱动阶段（直接使用设定转速），闭环补偿阶段（使用补偿后转速），为搅拌电动机的极对数，为搅拌电动机额定转差率，为压频比系数，取值为搅拌电动机额定电压与额定频率的比值，处理器实时采集搅拌电动机的定子电流与输出轴内置编码器转速作为内环反馈，当限位杆撞击限位槽导致瞬时负载转矩超过倍额定转矩时，自动触发电枢电流限幅，避免过流损坏，同时根据实时负载转矩通过转差补偿系数修正供电频率，抵消冲击负载导致的搅拌电动机转速跌落，实现搅拌电动机输出转速对目标值的快速跟踪。

25、优选的，所述计数条沿从动盘周向均匀分布，处理器通过相机采集的图像实时计算从动盘的实际转速，步骤s2具体步骤如下：

26、s201.相机正对从动盘外边缘固定，视场覆盖预设检测基准线，以200～500fps的固定帧率连续采集从动盘边缘图像；

27、s202.对每帧图像依次进行灰度化、高斯降噪、自适应二值化处理，通过相邻帧差分识别运动的计数条边缘，记录每个计数条经过检测基准线的时间戳；

28、s203、取连续k个计数条经过基准线的总时长，结合从动盘上计数条的总数量n，按如下公式计算从动盘实际转速（单位：r/min）：

29、

30、其中，单次统计的计数条数量k取值与计数条总数量n取值根据实际设置的计数条数量确定。

31、优选的，在步骤s3中，所述处理器采用间隙前馈+pid反馈的复合控制算法，根据从动盘实际转速对搅拌电动机的输出转速进行实时补偿，具体为：

32、s301.实时计算转速偏差：

33、

34、即当前时刻目标转速与从动盘实际转速的差值；

35、s302.计算间隙前馈补偿量，针对限位杆与限位槽的周向传动间隙进行提前补偿：

36、

37、其中，为当前时刻目标转速的变化率，，升速段，降速段，转速保持段，为周向总间隙角，即限位槽周向长度与限位杆周向截面直径的差值对应的圆心角，初始值为3°～8°；

38、s303.结合pid反馈项计算搅拌电动机的最终输出转速，发送至搅拌电动机的伺服驱动器执行：

39、

40、其中，比例系数取值为0.4～0.7，积分系数取值为0.05～0.15，微分系数取值为0.1～0.25。

41、与现有技术相比，本发明公开的一种沥青混合料的智能震动搅拌机构及震动控制方法具有以下有益效果：

42、1.本发明通过驱动盘限位槽与从动盘限位杆的间隙配合结构，无需额外加装偏心块、独立震动电机等部件，依靠高低速切换时限位杆在限位槽内的周向撞击，直接带动搅拌轴产生周向震动，震动力直接作用于搅拌叶片与混合叶片，无中间传动环节，能量利用率高，周向震动也不会对轴承、端盖产生持续径向偏载。

43、2.本发明采用连续可导的周期转速控制函数，通过s型曲线实现高低转速的平滑过渡，无加速度突变，避免了传统急启急停方案的电流冲击与机械冲击，电机运行电流平稳，传动件无刚性撞击；同时高低转速周期性保持，可产生稳定频率与幅度的周向震动，既保证足够撞击力破坏物料结拱，又避免转速突变导致的集料破碎。

44、3.本发明在从动盘外轮廓设置周向均匀分布的计数条，采用固定相机直接测量从动盘的实际转速，替代传统电机轴端编码器测速，消除了传动间隙带来的测速误差，可真实反映搅拌轴的实际转速与震动状态，测速算法采用相邻帧差分识别运动计数条边缘，可自动过滤镜头粉尘、油污、光线变化等现场干扰，在沥青搅拌多粉尘的恶劣工况下仍能保证测速精度，提供可靠的反馈数据。