黃海鳳，胡漢春

(1. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；成都 610031)

0 引言

磁場(chǎng)在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、航空航天、軍事等方面均具有非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性和誤差要求并不嚴(yán)格的情況下，設(shè)計(jì)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置較為簡(jiǎn)單；若對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性、誤差范圍、響應(yīng)速度以及磁場(chǎng)的分布都作出嚴(yán)格要求時(shí)，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。尤其在要求空氣隙外的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度的穩(wěn)定性、誤差及響應(yīng)速度較高的情況下，磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)將更為復(fù)雜。

影響電磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的因素較多，諸如微弱的振動(dòng)、電流的微弱變化、溫度變化等，都會(huì)使得空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化。因此，為了使空氣隙漏磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的精度及穩(wěn)定性，需對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行閉環(huán)控制。

根據(jù)技術(shù)要求正確的設(shè)計(jì)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置至關(guān)重要。所設(shè)計(jì)的技術(shù)要求為：電磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度誤差波動(dòng)不大于10Gs，且工作點(diǎn)的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度能夠在0～0.27T之間連續(xù)調(diào)節(jié)，在指定路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布近似正態(tài)分布。為達(dá)到這一設(shè)計(jì)要求，可首先采用有限元軟件ANSYS對(duì)該裝置進(jìn)行計(jì)算和仿真分析。

1 磁場(chǎng)環(huán)境

1.1 漏磁的產(chǎn)生

圖1為電磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的簡(jiǎn)圖及工作點(diǎn)位置。通過(guò)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，要求圖1所示的氣隙正上方3mm處工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)在小于0.27T的范圍內(nèi)可調(diào)，且誤差不大于10Gs，并能夠連續(xù)24小時(shí)穩(wěn)定在誤差范圍內(nèi)。工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不在氣隙中，而是在氣隙的上方，故屬于漏磁場(chǎng)。

圖1 磁路

1.2 漏磁分析

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)圖1所示的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布如圖2所示。由于磁極具有聚磁作用，磁極的形狀影響磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。這是由于鐵磁材料的強(qiáng)導(dǎo)磁作用，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化是沿著磁軛、磁極的方向流動(dòng)的，因此磁極的形狀將影響磁路的形成，進(jìn)而影響工作點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。氣隙的寬度尺寸較大時(shí)，由于空氣的導(dǎo)磁性較差，氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，導(dǎo)致工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度較??；若氣隙的寬度尺寸過(guò)小時(shí)，氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)，但漏磁較少，也會(huì)導(dǎo)致工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度較小。為了增加工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，需要合理選擇氣隙的寬度尺寸。由此可見(jiàn)，磁極的形狀和氣隙的寬度是影響工作點(diǎn)漏磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

本裝置采用ANSYS軟件對(duì)氣隙的寬度和磁極的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析和仿真。經(jīng)計(jì)算，圖1所示路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度近似正態(tài)分布，如圖3所示。

圖3 路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

2 控制系統(tǒng)

電磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置易受工作環(huán)境的影響，這使得漏磁感應(yīng)強(qiáng)度極易受到干擾。實(shí)驗(yàn)表明，微弱的振動(dòng)、溫度變化、噪音等即可使工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化大于3Gs。因此，為了保證工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度穩(wěn)定在誤差范圍內(nèi)，必須嚴(yán)格控制、調(diào)整線圈的供電電流。通過(guò)控制線圈的電流，保證工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的誤差不大于10Gs。

該電磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置可由上位機(jī)監(jiān)控和檢測(cè)，滿足遠(yuǎn)程控制的要求。在工作現(xiàn)場(chǎng)，由下位單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。這樣就使得該裝置即可接受上位機(jī)的指令并反饋信息，又可單獨(dú)設(shè)置、調(diào)節(jié)和顯示工作點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，完全脫離上位機(jī)而獨(dú)立工作。

磁場(chǎng)的控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示?？刂茊卧捎?9C51單片機(jī)，檢測(cè)單元采用霍爾元件，并通過(guò)鍵盤或上位機(jī)輸入設(shè)定值，采用數(shù)碼管或上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

經(jīng)鍵盤或上位機(jī)輸入需要產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)定值后，單片機(jī)接收到該設(shè)定值，經(jīng)過(guò)程序處理輸出控制信號(hào)，該控制信號(hào)控制勵(lì)磁電源輸出相應(yīng)數(shù)值的電壓，為磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的線圈提供勵(lì)磁電流，以產(chǎn)生相應(yīng)大小的磁場(chǎng)。

在這一過(guò)程中，由于外界溫度、噪音、振動(dòng)以及線圈的電阻變化等干擾，會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)大小發(fā)生變化。為了保證磁場(chǎng)保持穩(wěn)定，控制過(guò)程中必須加入反饋環(huán)節(jié)，如圖4所示。用傳感器來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的大小，將該測(cè)量值與輸入值進(jìn)行比較，進(jìn)而形成反饋，控制電源的輸出值。由此通過(guò)閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)整電源的輸出電流來(lái)保持產(chǎn)生磁場(chǎng)的穩(wěn)定。

圖4 控制原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件如圖5所示。主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)及接口電路、設(shè)定值輸入（工作點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)定值）、檢測(cè)信號(hào)輸入、控制輸出和顯示等部分。

采用89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，其接口電路包括數(shù)據(jù)的采集、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換、電壓信號(hào)放大、與上位機(jī)進(jìn)行通信的串行接口電路等部分。

鍵盤輸入電路或串行口輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)定值。

霍爾傳感器檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度形成檢測(cè)輸入信號(hào)。

單片機(jī)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)出控制信號(hào)去控制勵(lì)磁電源。

輸出顯示采用LED數(shù)碼管組成的顯示電路。

圖5 硬件原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)控制系統(tǒng)的控制程序來(lái)控制工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到要求?？刂瞥绦蛑饕芍袛喑绦蚝椭鞒绦蚪M成。

主程序的流程圖如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)接通電源后，等待輸入值B0（即要產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)定值），輸入設(shè)定值可以通過(guò)鍵盤輸入也可以通過(guò)上位機(jī)輸入；程序根據(jù)該輸入設(shè)定值的大小調(diào)整D/A轉(zhuǎn)換器的輸出值V0，給電源提供供電信號(hào)。同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器將傳感器的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量B，并與設(shè)定值B0進(jìn)行比較，形成偏差值，根據(jù)偏差值來(lái)調(diào)節(jié)輸出值V0，以達(dá)到減小偏差的目的。

中斷程序主要功能：磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置工作的過(guò)程中可以隨時(shí)停機(jī)或變更輸入值的大小。

上位機(jī)與單片機(jī)是通過(guò)串口進(jìn)行通信的，串口通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信協(xié)議。上位機(jī)通過(guò)RS232通信協(xié)議向單片機(jī)（下位機(jī)）傳送命令，單片機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)的輸入傳送給上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)控。

磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的工作區(qū)域是圖1所示的空氣隙部分，在工作現(xiàn)場(chǎng)，有諸多干擾因素會(huì)影響氣隙磁場(chǎng)的信號(hào)采樣，因此必須對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，去除干擾信號(hào)，否則將會(huì)影響氣隙磁場(chǎng)的控制精度。濾波采用中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法），即在一組采樣數(shù)據(jù)中，去掉最大采樣值和最小采樣值，將剩余的數(shù)據(jù)求平均值作為采樣的數(shù)據(jù)。去掉最大采樣值和最小采樣值是為了消除脈沖干擾。

為了避免對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置線圈的電流沖擊，程序開始執(zhí)行時(shí)，需要控制線圈電流的增加速度，使得線圈電流的變化是緩變的。

圖6 主程序流程圖

霍爾傳感器將測(cè)量點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小轉(zhuǎn)化成相應(yīng)大小的霍爾電壓值，再將該霍爾電壓值送入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)大小的轉(zhuǎn)換值，和D/A轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)之間的關(guān)系要進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定是否準(zhǔn)確直接影響磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的精度。

在標(biāo)定過(guò)程中，需用高精度特斯拉計(jì)對(duì)工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，再進(jìn)行標(biāo)定。

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置工作點(diǎn)和工作路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)試。

5.1 工作點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度

標(biāo)定后對(duì)圖1所示磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)試，得出輸入值與測(cè)量值之間的對(duì)應(yīng)值如表1所示。誤差值δ≤6 Gs，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以在0～0.27T（2700Gs）之間連續(xù)變化。

表1 標(biāo)定后輸入值和測(cè)量值對(duì)比表

5.2 工作路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度

為了校核圖1所示的工作路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度值是否按近似正態(tài)分布的變化趨勢(shì)，采用分辨率為0.1Gs的特斯拉計(jì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置進(jìn)行測(cè)試，用三維高精度移動(dòng)平臺(tái)確定圖1所示的測(cè)試路徑，校核磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置是否達(dá)到要求。

表2中用X軸的坐標(biāo)值表示路徑上對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)。在輸入值為2300Gs的狀態(tài)下對(duì)路徑上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2中的磁感應(yīng)強(qiáng)度值的大小得到了路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)如圖7所示。其分布趨勢(shì)近似正態(tài)分布。并于通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算得到的路徑磁感應(yīng)強(qiáng)度分布（如圖3所示）一致。

圖7 路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

表2 磁感應(yīng)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

6 結(jié)論

由于磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置極易受干擾，將會(huì)影響漏磁場(chǎng)的穩(wěn)定性，因此控制系統(tǒng)的重點(diǎn)是在外界因素變化的情況下，保證磁場(chǎng)能夠達(dá)到所要求的精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)控制系統(tǒng)能夠保證工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.25T時(shí)，誤差不超過(guò)10GS ，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中漏磁的高精度控制。工作點(diǎn)的漏磁場(chǎng)可以對(duì)工件進(jìn)行計(jì)數(shù)、探傷等。計(jì)數(shù)時(shí)，可以根據(jù)工件的大小及材質(zhì)調(diào)整工作點(diǎn)的漏磁場(chǎng)大小。若工件較小，且工件材料的導(dǎo)磁性能較差時(shí)，則通過(guò)控制系統(tǒng)增大工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，反之，減小工作點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。探傷時(shí)，根據(jù)漏磁場(chǎng)的大小可以估算工件缺陷的尺寸和形狀。

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