摘要：在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，非線性振動(dòng)磨機(jī)運(yùn)行中有確定激勵(lì)不確定響應(yīng)的混沌振動(dòng)特點(diǎn)。文章以AVR單片機(jī)為主控核心，使用外圍模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊控制器，結(jié)合VB軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集控制數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)磨機(jī)超高振強(qiáng)提前減幅、振幅超限急?？刂乒δ?；在程序設(shè)計(jì)中增加振強(qiáng)及振幅反饋環(huán)節(jié)，與上位機(jī)和變頻器相結(jié)合形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)進(jìn)一步提高了振動(dòng)磨機(jī)的能源利用效率，改善了振動(dòng)磨機(jī)的使用性能，提高了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作效率。

關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)控制器；超前控制；實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP332文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

超硬材料的微納粉體具有超硬材料和微納顆粒的雙重特性，在開(kāi)發(fā)特殊性能的新材料時(shí)，具有相當(dāng)大的潛力。在航空航天、飛機(jī)制造、精密機(jī)械、光學(xué)儀器、汽車制造、信息技術(shù)、化學(xué)塑料等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

高振強(qiáng)振動(dòng)磨技術(shù)是一種在振動(dòng)強(qiáng)度較高條件下的振動(dòng)磨技術(shù)［1］。目前，應(yīng)用高振強(qiáng)振動(dòng)磨技術(shù)制作超硬材料的超微粉體，其目的是解決超硬粉體在超微粉碎過(guò)程中顆粒不易細(xì)化、容易團(tuán)聚等弊端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超硬粉體的微納化。

1 單片機(jī)智能變頻應(yīng)用

AVR atmega16L-8PU是由ATMEL公司生產(chǎn)的單片微處理器，屬于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，具有先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘指令周期執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，可以減緩系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。其片上硬件資源非常豐富，運(yùn)算速度在相同晶振下是常規(guī)51微處理器的8倍，且價(jià)格與同類產(chǎn)品相當(dāng)，一經(jīng)推出，備受關(guān)注，在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

控制磨機(jī)的3個(gè)狀態(tài)分別是啟動(dòng)狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)和緊急情況調(diào)控狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)各有特點(diǎn)。

磨機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，過(guò)渡狀態(tài)很重要，一方面可以保證磨機(jī)振動(dòng)時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度、振幅、噪聲較小，另一方面能夠保證磨機(jī)壽命不會(huì)因?yàn)槌?dòng)而減少。所以其過(guò)渡時(shí)間要有所保證，但是啟動(dòng)時(shí)間也不能過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)降低磨機(jī)的工作效率。

1.1 控制核心AVR atmega16L-8PU

Atmega16的片上硬件資源豐富，具有16 k字節(jié)的閃存可編程標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，512字節(jié)的EEPROM，1 k字節(jié)的SRAM，32個(gè)通用輸入輸出接口和32個(gè)通用工作區(qū)。配有1個(gè)JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試和編程，具有異步UART，8路10位可選差分輸入位ADC，片內(nèi)集成SPI協(xié)議與IIC協(xié)議［2］。多種功能為一體，可以利用ICC AVR軟件進(jìn)行編譯與實(shí)時(shí)調(diào)試，原理如圖1所示。

AD574A內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳功能如圖2所示，當(dāng)輸出接高電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)是12位字長(zhǎng)；當(dāng)輸出接低電平時(shí)，將轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)變成兩個(gè)8位字輸出。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物料經(jīng)過(guò)破碎機(jī)械破碎后的物料粒度集中在8～20 mm，為達(dá)到生產(chǎn)工藝需要的細(xì)度要求，破碎后的物料還需經(jīng)過(guò)粉磨機(jī)械磨細(xì)。粉磨是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

振動(dòng)磨機(jī)主要由圓柱形筒體、端蓋、上下質(zhì)體、非線性彈簧減振彈簧和振動(dòng)電機(jī)等部分組成，筒體內(nèi)可以裝入直徑為25～150 mm的鋼球或鋼棒，簡(jiǎn)稱為磨介，磨介裝入量為整個(gè)筒體有較容積的25%～50%［3］。筒體兩端配有端蓋，端蓋使用螺釘與筒體端部法蘭相連接，端蓋的中部有孔，稱為中空軸頸。筒體固定在上質(zhì)體上，上下質(zhì)體通過(guò)非線性彈簧連接，用振動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力對(duì)齊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)磨機(jī)工作時(shí)，磨介和物料在激振力的作用下在筒內(nèi)進(jìn)行碰撞運(yùn)動(dòng)，其中一部分鋼球在筒體內(nèi)對(duì)物料有研磨作用，以上即是物料的粉碎過(guò)程。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括AVR單片機(jī)控制器、四方電氣C300變頻器、北戴河YD64型壓電加速度傳感器配CA-3積分電荷放大器和振動(dòng)磨機(jī)。設(shè)計(jì)采用CA-3型積分電荷放大器與YD64壓電加速度計(jì)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨機(jī)實(shí)際變頻的振強(qiáng)和振幅在線實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和速度預(yù)控制，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)使用四方電氣C300-4T0007變頻器，其額定容量1.5 kVA，額定輸出電流2.3 A，是一種無(wú)感電流矢量型小功率變頻器，模擬輸入電壓為0～10 V，可以適配電機(jī)功率0.75 kW［4］。

該變頻器接口使用控制端RST、FWD、GND、VC等接口，系統(tǒng)主回路端用到R、S、T、U、V、W等接口［5］。其中RST端口接故障緊急復(fù)位端口，F(xiàn)WD接大地，表示正轉(zhuǎn)控制，GND接地線，VC端接PLC硬件0～5 V頻率設(shè)定端口，R、S、T分別接三相電源，U、V、W接磨機(jī)。變頻器實(shí)物連接情況如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合硬件控制原理，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件及其軟件設(shè)計(jì)。磨機(jī)正常工作狀態(tài)下，一個(gè)周期為6個(gè)正弦波，各個(gè)正弦波都以50 Hz為基軸，時(shí)間及頻率跨度都不相同。生產(chǎn)中考慮實(shí)際情況，在極短時(shí)間內(nèi)不能將變頻器頻率直接增加到50 Hz，因此輸出從0 Hz增至50 Hz。在現(xiàn)場(chǎng)控制過(guò)程中，為保證現(xiàn)場(chǎng)工作人員和設(shè)備的安全，必須增加振幅超限急停環(huán)節(jié)和振強(qiáng)超限環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)程序流程如圖5所示。

磨機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程中，閉環(huán)控制需要將電荷積分放大器采集得到的系統(tǒng)實(shí)時(shí)振幅和振強(qiáng)數(shù)據(jù)，傳輸返回上位機(jī)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能，本設(shè)計(jì)采用VB6.0軟件，編寫上位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序，如圖6所示為VB軟件設(shè)計(jì)的采集數(shù)據(jù)界面。

VB數(shù)據(jù)初始化部分程序如下：

Private Sub Form_Load（）

Width = Screen.Width

Height = Screen.Height

Left = 0

Top = 0

Combo1.ListIndex = 3

Combo2.ListIndex = 2

MSComm1.PortOpen = False

'MSComm1.CommPort = 4 '串口選4

MSComm1.OutBufferCount = 0'發(fā)送緩沖區(qū)清零

MSComm1.InBufferCount = 0 '接收緩沖區(qū)清零

MSComm1.OutBufferSize = 64'發(fā)送緩沖區(qū)為512字節(jié)

MSComm1.InBufferSize = 64'發(fā)送緩沖區(qū)為512字節(jié)

MSComm1.RThreshold = 1'接收到4個(gè)字符觸發(fā)事件

MSComm1.InputLen = 0 '一次讀取全部緩沖區(qū)數(shù)據(jù)

MSComm1.Settings = \"9600，n，8，1\"

MSComm1.InputMode = comInputModeBinary

Text5.Text = 0

Command10.Enabled = False

Label11.Caption = \"停止\"

End Sub

3 磨機(jī)模擬調(diào)試

根據(jù)上述硬件原理圖將磨機(jī)、變頻器、AVR單片機(jī)控制器、上位機(jī)、加速度傳感器和電荷放大器等硬件連接起來(lái)，并分部進(jìn)行硬件功能測(cè)試，確保硬件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

軟件程序下載至AVR單片機(jī)控制器，啟動(dòng)程序狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)物連接如圖7所示。等待監(jiān)控正常時(shí)，打開(kāi)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行前8 s可以看到變頻器頻率顯示由0逐漸增加到50.72 Hz，然后圍繞

50 Hz成正弦波周期變化。頻率升高時(shí)，磨機(jī)振動(dòng)聲音逐漸變大；當(dāng)振強(qiáng)降低時(shí)，磨機(jī)振動(dòng)聲音降低［6］。在15 Hz頻率時(shí)，振幅較大，該頻率點(diǎn)有待進(jìn)一步分析。根據(jù)振強(qiáng)曲線得知，最大值為3 520，換算成振強(qiáng)值為35.2，設(shè)定振強(qiáng)上限值為37，沒(méi)有超過(guò)上限累積時(shí)間0.5 s。測(cè)試中振動(dòng)磨機(jī)沒(méi)有發(fā)生停機(jī)現(xiàn)象，振強(qiáng)曲線基本符合變頻器的頻率輸出變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)變正弦曲線下的變振強(qiáng)控制。

比較振幅變化曲線和振強(qiáng)變化曲線，可以推斷在振幅增加的過(guò)程中，其振動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)隨之增大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)磨機(jī)工作中的震動(dòng)特點(diǎn)，考慮到運(yùn)行中振幅振強(qiáng)對(duì)磨機(jī)的影響因素，設(shè)計(jì)增加振幅振強(qiáng)反饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在磨機(jī)工作過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的變頻調(diào)速；當(dāng)系統(tǒng)振強(qiáng)到達(dá)特定的臨界值時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方案，保證磨機(jī)正常可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)振幅振強(qiáng)的預(yù)控制目標(biāo)。在測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集精度不夠高，后續(xù)將進(jìn)一步研究改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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［6］陳志紅.變頻器技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2016.

Design of control system for vibration mill based on single chip microcomputer

DingYanling， WuJie

（Nanjing Vocational Institute of Mechatronic Technology， Nanjing 211135， China）

Abstract： In industrial production applications， nonlinear vibration mills exhibit chaotic vibration characteristics with deterministic excitation and uncertain response during operation. This article takes AVR microcontroller as the main control core， uses peripheral analog input/output expansion module controller， and combines VB software to design upper computer data acquisition and control data terminal， achieving the function of early reduction of ultra-high vibration intensity and emergency stop control of amplitude exceeding limit for vibration grinding machine. Add vibration intensity and amplitude feedback links in program design， and combine them with the upper computer and frequency converter to form closed-loop control， achieving real-time monitoring of vibration status; Further improve the energy utilization efficiency of the vibration mill，improve the performance of vibration mills， improve the efficiency of production site work.

Key words： AVR microcontroller controller; advanced control; real time monitoring