(上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109)

0 引言

電動振動臺是激振型的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于國防、通訊、電子以及工業(yè)自動化等領(lǐng)域[1]。其主要是用來得到機械與電子產(chǎn)品的零部件，或者裝配體的構(gòu)架強度，以及可靠性和穩(wěn)定性等信息[2]。也正是由于電動振動臺的工作頻段寬，和波形容易控制等眾多優(yōu)勢，使其成為了自動化發(fā)展的寵兒[3]。電動振動臺主要的驅(qū)動方式就是電動式，其利用自帶交變電流的實用線圈，在恒定磁場中生成電磁激振力，以帶動臺面完成振動，其可完成比較寬的頻段的測試工作[4]。國內(nèi)的振動臺雖然驅(qū)動力比較大，不過污染相對嚴重，且高頻能力差，電動振動臺主要來源于進口，不僅價格高，而且利用的是集成振動控制器，其控制系統(tǒng)的開放程度較低，在某種程度上來說，減緩了國內(nèi)振動控制技術(shù)發(fā)展的速度[5]。為解決以上問題，提出旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器設(shè)計。

1 PLC自動控制器設(shè)計

對旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器進行設(shè)計之前，先制定自動控制系統(tǒng)的總體方案，為PLC自動控制器的設(shè)計提供理論依據(jù)。以PLC為控制核心，依據(jù)旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺自動控制系統(tǒng)設(shè)計的具體需求[6]，該控制系統(tǒng)應(yīng)該具備電壓電流以及功率因數(shù)的顯示模塊，以及通訊等模塊。PLC自動控制器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PLC自動控制器整體結(jié)構(gòu)框架

2 硬件設(shè)計

對旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器硬件部分進行改進。硬件部分主要包括電源模塊、LED顯示模塊、報警模塊、通訊模塊、信號采集模塊、存儲器模塊和時鐘模塊。對各模塊的功能進行優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建功能齊全的硬件平臺。具體優(yōu)化設(shè)計過程如下。

2.1 電源模塊

電源作為PLC自動控制器中提供能量的模塊，采用的是直流電源。傳統(tǒng)的直流電壓所用到的元件特別多，導(dǎo)致占用的空間比較大，且接線比較多。而在本控制器的設(shè)計中，使用的是78XX系列與79XX系列中的，三端固定形式的集成穩(wěn)壓器，可解決空間占用大和接線較多的問題[7]。電動振動臺自動控制器電源模塊要求給5 460和CPU等模塊供電。在PLC自動控制器的設(shè)計中，共有四組電源，兩組+5 V的電源，一組-5 V的電源，和一組+12 V的電源。其中一組+5 V電源為CPU和5 460提供能量。

為保障電動振動臺自動控制器在缺相狀態(tài)下，能正常工作，要對主處理芯片實施缺相保護，利用二極管完成并聯(lián)，且進入穩(wěn)壓器捕獲正電源、負電源。

針對電源變壓器的設(shè)計，以減少電動振動臺自動控制器的功耗為目的。在電源的變壓器初級，串聯(lián)電流濾波器，可高效抑制干擾。

2.2 LED顯示模塊

在PLC自動控制器中，采用的顯示器為價格低廉，功耗小，工作電壓低且穩(wěn)定性好的LED。LED顯示器具有共陽極與共陰極這兩種結(jié)構(gòu)，如圖2所示，發(fā)光的二極管陽極連接在一起的是共陽極的顯示器，而陰極連接在一起的是共陰極顯示器。

圖2 共陰極與共陽極顯示圖

針對不同的旋轉(zhuǎn)機械，所選擇的極不同，只要達到顯示的目的即可。

LED的顯示方式：LED作為一種利用對發(fā)光二極管的控制而達到顯示的方式，能夠劃分成靜態(tài)的顯示，和動態(tài)的顯示。由于旋轉(zhuǎn)機械的特殊性，選擇動態(tài)顯示的方式。所謂的動態(tài)顯示，就是讓數(shù)據(jù)在多位數(shù)碼管內(nèi)顯示過程中，把所有的數(shù)碼管并聯(lián)在一起，并由一個八位的I/O口控制。

LED的驅(qū)動電路：在該單元中，利用串行和并行轉(zhuǎn)換的方式，以及并行譯碼的方式，根據(jù)專用的譯碼驅(qū)動芯片，作為旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺自動控制器中LED驅(qū)動電路譯碼。在文章中所設(shè)計的LED驅(qū)動電路，使用的是并行式的譯碼形式，利用8255A擴展驅(qū)動的共陰極的LED接口電路，它可以進行動態(tài)顯示的原理為：把各個共陰極的數(shù)碼管中八個同名段的發(fā)光二極管進行并聯(lián)，和8255A同一端口線進行連接[8]。假設(shè)把全部位數(shù)碼管的a端連接至PAO口上，剩余的以此類推，將各段和PA口進行連接的數(shù)據(jù)口，稱為段數(shù)據(jù)口。因為使用的LED位數(shù)是6位，所以利用PC口的PC0-PC5作為位控線，其中，段控線可稱為掃描口，它與各個數(shù)碼管公共端分別進行連接。于同時刻下，8255A掃描口的輸出可為一位數(shù)碼管陰極提供低電平，通過75 452驅(qū)動，這時位選通(亮)，那么在不同時刻為段數(shù)據(jù)口傳送不同字段碼，同時向掃描口PC0-PC5傳送相應(yīng)電平，再通過74LS06進行驅(qū)動之后，就可以使相應(yīng)位數(shù)碼管將該字段碼顯示出來。利用來回掃描的方法，因PLC CPU掃描頻率較高，操作的效率較快，僅需將掃描口的電平和各個數(shù)據(jù)口字型碼進行改變，并通過人眼視覺殘留的效應(yīng)，和LED余暉效應(yīng)，就能夠使各個數(shù)碼管對旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的情況進行顯示。

2.3 報警模塊

在旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的自動控制系統(tǒng)中，由于振動臺的性質(zhì)特殊，可能會出現(xiàn)不受控制的現(xiàn)象，這時就需要報警模塊[9]。自動控制器的報警電路如圖3所示。

圖3 報警模塊電路

圖3中的蜂鳴器結(jié)構(gòu)一體化，是一種訊響的器件，被當(dāng)作發(fā)生器，廣泛應(yīng)用至報警器、打印機以及電子玩具中，因無源蜂鳴器通過方波驅(qū)動，有源的蜂鳴器只要輸入低電平，就能夠連續(xù)發(fā)聲，所以旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器的設(shè)計中，采用的是有源的蜂鳴器當(dāng)作報警的輸出。其中的PNP極管選取的是8 550[9]。因PLC復(fù)位過程中，各個管腳所輸出的都是高電平，所以利用非門，將PLC在輸出高電平的同時，通過非門反向變至低電平，這時的PNP極管飽和并導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出警報。蜂鳴器的電壓使用情況為+5 V，極管飽和并導(dǎo)通的同時，電壓是0.7 V，因此在限流電阻上電壓設(shè)置為4.3 V。單片機的引腳輸出電流通常情況下是若干毫安，綜上能夠?qū)⑾蘖麟娮柙O(shè)置為4.3 K，并為了保險，把電阻設(shè)置為4.7 K。

2.4 通訊模塊

通訊模塊是指將計算機和外部設(shè)備進行連接，并進行信息的交換。通訊模塊設(shè)計中，以PLC為核心的電動振動臺自動控制器，和上位機間信息交換，使用的是串行通訊。

在通訊接口電路的選擇中，選擇的是差分平衡型的線路。RS-485和RS-422在接收端，接收器會進行差分接收，并把差分信號，變換成TTL電平。以具備抗共模干擾能力，加快傳送速率。選擇RS-485串行通訊口的差分平衡線式電路，其抗干擾能力強，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能從千米以外就獲得復(fù)原，適合遠距離通訊。

把MAX485應(yīng)用到通訊接口，在接收器輸入端，由于共模的干擾受到抑制，因此能完成信號的傳輸。

2.5 信號采集模塊

旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器中，分別利用電壓互感器，和電流互感器實現(xiàn)電壓信號的采集，和電流信號的采集。其中電流互感器的變比是4 000：1，而電壓互感器變比為1：1。

電壓互感器使用的型號是CS5460A，其能改變輸入的電壓，也能把其中直流的成分隔去，同時為了捕獲電壓信號，在輸入端，加110 K的電阻，由此電壓是220 V時，就能獲得2 mA電流，輸出端利用51 Ω與15 Ω的電阻，捕獲132 mV電壓信號。在15 Ω電阻上，并聯(lián)個500 Ω電位器實施調(diào)節(jié)，由此就可以獲得準確電壓信號。

在旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器的電流信號采集模塊中，選擇的互感器也是CS5460A，其非線性度小于0.1%。機械的電流將直接經(jīng)過互感器獲得，再利用適當(dāng)電阻得到信號。

2.6 存儲器模塊

在旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器的存儲模塊設(shè)計中，為了保障掉電之后數(shù)據(jù)不丟，要制定參數(shù)值。采用串行的EEPROM當(dāng)作數(shù)據(jù)的存儲器，其具備超強的抗干擾能力，和PLC主控單元接口較為簡單的特點。由于自動控制器的設(shè)計要寫入比較少的數(shù)據(jù)量，采用性價比較高的X5045，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定性為目的，利用看門狗功能輔助實現(xiàn)。

X5045比較常用的性能：在該性能的說明中，將看門狗和電壓監(jiān)控，與EEPROM組合，將組合結(jié)果放置單個封裝中，這個組合使控制器設(shè)計成本得以降低，與此同時X5045有十分簡單的串行外設(shè)口、軟件協(xié)議。

其具有的特點為：有可編程的看門狗、低VCC檢測、直至VCC=1 V的復(fù)位信號有效、512*8位串行EEPROM、CMOS功耗低，且等待電流是10 μA，工作的電流是3 mA。

其中的512*8位串行EEPROM中，存儲部分為CMOS 4096位串行EEPROM，同時其內(nèi)部按照512*8進行組織[10]。

2.7 時鐘模塊

PLC外的時鐘電路如圖4所示。

圖4 時鐘電路

圖4中反相放大器輸入端是XTAL1，輸出端是XTAL2。在引腳XTAL1和XTAL2兩端，外接石英晶體與微調(diào)電容，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。兩個微調(diào)電容大小都是30 pF，它們的作用是上電時，能夠使晶振起振。且晶振頻率選取的是12 MHz。

綜上所述，完善上述各功能模塊，完成對旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺PLC自動控制器硬件部分的設(shè)計，為控制器軟件部分的設(shè)計提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。

3 軟件設(shè)計

將旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺的PLC自動控制器軟件模塊劃分為主程序和子程序兩部分。主程序的設(shè)計依據(jù)自頂向下的設(shè)計思想完成，關(guān)鍵是為了旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺自動控制器可以不間斷地運行，設(shè)計中在需要的部分采取了循環(huán)體。主程序中，需要的部分就直接調(diào)用子程序，由此大大提高了控制系統(tǒng)的編制、調(diào)試及運行的效率，同時縮短了系統(tǒng)的啟動時間。

中斷：該模塊中，利用T0中斷，對電容的投切間隔實施定時操作，并定時到投切評判子程序中。同時INT0中斷下跳沿時，和CS5460A的中斷互相配合，間隔1秒時中斷取值。

計算功率因數(shù)，通過CS5460A，將電壓、電流有效值，和有功功率P讀出，cosΦ=P/(電壓*電流有效值)。

投切判斷依據(jù)：電流值、電壓值、功率因數(shù)和投切間隔。

串行EEPROM：在其中，功率的因數(shù)值、過電壓值和投切間隔必須預(yù)先設(shè)定，將設(shè)定的值保存至串行EEPROM。同時該值能通過鍵盤來設(shè)定，在設(shè)定結(jié)束后，再保存更改之后的值。

程序的闡述：

初始化：控制系統(tǒng)CPU的初始化，也就是將T0值設(shè)成定時的方式。LED的初始化和CS5460A的初始化，CPU初始化的過程中，打開串行中斷，并讀出EEPROM內(nèi)的定值。

循環(huán)體：在循環(huán)體中調(diào)LED子程序，并以電流的超前電壓，來判斷過壓。

INT1中斷子程序是用來設(shè)定定值的。INT0中斷程序是用來讀取CS5460A的值。圖5為主程序流程：

圖5 主程序流程

旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺自動控制系統(tǒng)軟件部分的子程序的執(zhí)行流程為：間隔1秒就讀出CS5460A電流值，和電壓值以及能量值。且主要的思想為：于中斷程序內(nèi)，選取CS5460A后，就發(fā)出讀命令、地址，接著從相應(yīng)的寄存器內(nèi)，讀出三個字節(jié)電壓的有效值百分比、有功功率百分比、電流有效值的百分比。

投切判斷程序的執(zhí)行流程為：間隔1秒就讀出CS5460A電流值，和電壓值以及能量值。且主要的思想為：中斷程序中，在選取CS5460A之后，再發(fā)出讀的命令和地址，然后從相應(yīng)寄存器內(nèi)，讀出電壓有效值、有功功率有效值、電流有效值。

根據(jù)以上步驟，通過對PLC自動控制器硬件部分的電源、 LED顯示、報警、通訊等模塊進行改進，構(gòu)建軟件部分的主程序和子程序，完成旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺PLC自動控制器的設(shè)計。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺PLC自動控制器的性能，實驗通過matlab組建實驗環(huán)境，分別對控制系統(tǒng)的使用壽命、系統(tǒng)啟動時間和抗干擾能力進行實驗。將利用不同方法設(shè)計出的自動控制器，安裝在旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺上，分別從以上三個方面觀察改進控制器的綜合性能。

控制器的使用壽命實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種不同控制器使用壽命狀況

分析圖6實驗結(jié)果，改進的旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺PLC自動控制器，使用壽命呈現(xiàn)的是平緩衰減的狀態(tài)，而傳統(tǒng)控制器使用壽命，則呈直線下降的趨勢。正是因為改進控制器軟件設(shè)計中，利用投切判斷程序，實現(xiàn)電容投切以完成旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺自動控制器的無功補償，進而降低了數(shù)據(jù)傳送線路的耗損，并提高了控制器的使用壽命。

控制器啟動時間：由于電動振動臺控制器主要是用在模擬實際的工況，和結(jié)構(gòu)強度的測試等方面，應(yīng)用的范圍比較廣泛。所以在該實驗中，將相同數(shù)量的試驗產(chǎn)品放置于振動臺上，觀察不同控制器啟動時間。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 兩種不同控制器啟動時間對比

抗干擾能力實驗：在控制器真正運行的狀態(tài)下，抗干擾能力越弱，控制器運行的狀態(tài)越差，利用黑色陰影面積越大，來表示抗干擾能力越弱。實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種不同控制器抗干擾能力對比

分析圖7實驗結(jié)果，在改進控制器的主程序中，提到需要的部分就直接調(diào)用子程序，這大大提高了控制器的編制和調(diào)試以及運行效率，縮短了控制器的啟動時間。改進控制器采用的RS-485串行通訊口，是差分平衡線式電路，其抗干擾能力強；采用串行的EEPROM當(dāng)作數(shù)據(jù)的存儲器，其具備超強的抗干擾能力；電源的變壓器初級串聯(lián)電流濾波器，能夠高效抑制高頻的干擾。以上均證明了改進設(shè)計的旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺PLC自動控制器抗干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)控制器的抗干擾能力。

綜合以上實驗結(jié)果可得，改進設(shè)計的旋轉(zhuǎn)機械電動振動臺PLC自動控制器抗干擾能力強，啟動時間短，使用壽命長，具有一定的實用性和有效性。

5 結(jié)束語

利用實驗證明了文章所提方法確實具有可行性，達到了預(yù)期的效果，不過還存在著需要改進的方面：在通訊方面，數(shù)據(jù)的誤碼率控制程序有待設(shè)計；有時候功率因數(shù)可能不是最佳的，這就需要設(shè)置功率因數(shù)管理模塊，以提高系統(tǒng)的整體性能；在模塊進行細化之后，應(yīng)該將其中的功能更為詳細的表示出來，并將模塊作用更好地應(yīng)用至系統(tǒng)中，且在上述的基礎(chǔ)上，對控制器工作原理進行詳細地論述，為整個系統(tǒng)的電路構(gòu)

建提供依據(jù)；還應(yīng)將各個模塊應(yīng)用到的芯片，與相似芯片進行多方面的對比，再選取最佳的芯片；應(yīng)添加旋轉(zhuǎn)機械振動臺的參數(shù)處理模塊，并將其與主程序整合在一起，以提高控制器的整體能效。

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