基于单片机的振动磨机控制系统设计.pdf

第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023作者简介:丁艳玲(1978),女,吉林榆树人,副教授,硕士研究生;研究方向:电气自动化技术。基于单片机的振动磨机控制系统设计丁艳玲,吴 杰(南京机电职业技术学院,江苏 南京 211135)摘要:在工业生产应用中,非线性振动磨机运行中有确定激励不确定响应的混沌振动特点。文章以AVR 单片机为主控核心,使用外围模拟量输入/输出扩展模块控制器,结合 VB 软件设计上位机数据采集控制数据终端,实现对振动磨机超高振强提前减幅、振幅超限急停控制功能;在程序设计中增加振强及振幅反馈环节,与上位机和变频器相结合形成闭环控制,实现振动状态的实时监控。系统进一步提高了振动磨机的能源利用效率,改善了振动磨机的使用性能,提高了生产现场工作效率。关键词:AVR 单片机控制器;超前控制;实时监控中图分类号:TP332 文献标志码:A0 引言 超硬材料的微纳粉体具有超硬材料和微纳颗粒的双重特性,在开发特殊性能的新材料时,具有相当大的潜力。在航空航天、飞机制造、精密机械、光学仪器、汽车制造、信息技术、化学塑料等领域都有着广阔的应用前景。高振强振动磨技术是一种在振动强度较高条件下的振动磨技术1。目前,应用高振强振动磨技术制作超硬材料的超微粉体,其目的是解决超硬粉体在超微粉碎过程中颗粒不易细化、容易团聚等弊端,进而实现超硬粉体的微纳化。1 单片机智能变频应用 AVR atmega16 L-8PU 是由 ATMEL 公司生产的单片微处理器,属于增强的 AVR RISC 结构的低功耗8 位 CMOS 微控制器,具有先进的指令集以及单时钟指令周期执行时间,ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,可以减缓系统功耗和处理速度之间的矛盾。其片上硬件资源非常丰富,运算速度在相同晶振下是常规 51 微处理器的 8 倍,且价格与同类产品相当,一经推出,备受关注,在控制领域得到广泛的应用。控制磨机的 3 个状态分别是启动状态、正常运行状态和紧急情况调控状态,每一个状态各有特点。磨机在启动时,过渡状态很重要,一方面可以保证磨机振动时振动强度、振幅、噪声较小,另一方面能够保证磨机寿命不会因为常启动而减少。所以其过渡时间要有所保证,但是启动时间也不能过长,否则会降低磨机的工作效率。1.1 控制核心 AVR atmega16 L-8PU Atmega16 的片上硬件资源丰富,具有 16 k 字节的闪存可编程标准系统,512 字节的 EEPROM,1 k 字节的 SRAM,32 个通用输入输出接口和 32 个通用工作区。配有 1 个 JTAG 接口,支持片内调试和编程,具有异步 UART,8 路 10 位可选差分输入位 ADC,片内集成 SPI 协议与 IIC 协议2。多种功能为一体,可以利用 ICC AVR 软件进行编译与实时调试,原理如图 1所示。AD574A 内部结构引脚功能如图 2 所示,当输出接高电平时,输出数据是 12 位字长;当输出接低电平时,将转换输出的数变成两个 8 位字输出。1.2 系统总体设计 物料经过破碎机械破碎后的物料粒度集中在 820 mm,为达到生产工艺需要的细度要求,破碎后的物料还需经过粉磨机械磨细。粉磨是现代工业生产中的一个重要环节。振动磨机主要由圆柱形筒体、端盖、上下质体、非线性弹簧减振弹簧和振动电机等部分组成,筒体内可以装入直径为 25150 mm 的钢球或钢棒,简称为磨介,磨 介 装 入 量 为 整 个 筒 体 有 较 容 积 的 25%50%3。筒体两端配有端盖,端盖使用螺钉与筒体端部法兰相连接,端盖的中部有孔,称为中空轴颈。筒体固定在上质体上,上下质体通过非线性弹簧连接,用振动电机运转产生激振力对齐进行驱动。当磨机工作时,磨介和物料在激振力的作用下在筒内进行碰撞运动,其中一部分钢球在筒体内对物料有研磨作用,以上即是物料的粉碎过程。系统结构组成包括 AVR 单片机控制器、四方电气 C300 变频器、北戴河 YD64 型压电加速度传感器配 CA-3 积分电荷放大器和振动磨机。设计采用CA-3 型积分电荷放大器与 YD64 压电加速度计协同工作,实现对磨机实际变频的振强和振幅在线实时检测、数据采集和速度预控制,设计系统结构如图 3所示。93第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023图 1 Atmega16L 原理图 2 AD574A 内部结构图 3 系统结构 本文设计使用四方电气 C300-4T0007 变频器,其额定容量 1.5 kVA,额定输出电流 2.3 A,是一种无感电流矢量型小功率变频器,模拟输入电压为 0 10 V,可以适配电机功率 0.75 kW4。该变频器接口使用控制端 RST、FWD、GND、VC等接口,系统主回路端用到 R、S、T、U、V、W 等接口5。其中 RST 端口接故障紧急复位端口,FWD 接大地,表示正转控制,GND 接地线,VC 端接 PLC 硬件05 V 频率设定端口,R、S、T 分别接三相电源,U、V、W 接磨机。变频器实物连接情况如图 4 所示。图 4 变频器硬件连接2 系统软件设计 结合硬件控制原理,进行系统的硬件及其软件设04第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023计。磨机正常工作状态下,一个周期为 6 个正弦波,各个正弦波都以 50 Hz 为基轴,时间及频率跨度都不相同。生产中考虑实际情况,在极短时间内不能将变频器频率直接增加到 50 Hz,因此输出从 0 Hz 增至50 Hz。在现场控制过程中,为保证现场工作人员和设备的安全,必须增加振幅超限急停环节和振强超限环节。本文设计程序流程如图 5 所示。图 5 系统流程 磨机系统工作过程中,闭环控制需要将电荷积分放大器采集得到的系统实时振幅和振强数据,传输返回上位机。为实现数据采集监控功能,本设计采用VB6.0 软件,编写上位机数据采集程序,如图 6 所示为 VB 软件设计的采集数据界面。VB 数据初始化部分程序如下:Private Sub Form_Load()Width=Screen.WidthHeight=Screen.HeightLeft=0Top=0Combo1.ListIndex=3Combo2.ListIndex=2MSComm1.PortOpen=FalseMSComm1.CommPort=4 串口选 4MSComm1.OutBufferCount=0发送缓冲区清零MSComm1.InBufferCount=0 接收缓冲区清零MSComm1.OutBufferSize=64 发送缓冲区为512 字节MSComm1.InBufferSize=64发送缓冲区为512 字节MSComm1.RThreshold=1 接收到 4 个字符触发事件MSComm1.InputLen=0 一次读取全部缓冲区数据MSComm1.Settings=9600,n,8,1MSComm1.InputMode=comInputModeBinaryText5.Text=0Command10.Enabled=FalseLabel11.Caption=停止End Sub图 6 VB 采集界14第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,20233 磨机模拟调试 根据上述硬件原理图将磨机、变频器、AVR 单片机控制器、上位机、加速度传感器和电荷放大器等硬件连接起来,并分部进行硬件功能测试,确保硬件系统稳定可靠。软件程序下载至 AVR 单片机控制器,启动程序状态监控,实物连接如图 7 所示。等待监控正常时,打开启动开关,系统开始运行,运行前 8 s 可以看到变频器频率显示由 0 逐渐增加到 50.72 Hz,然后围绕50 Hz 成正弦波周期变化。频率升高时,磨机振动声音逐渐变大;当振强降低时,磨机振动声音降低6。在 15 Hz 频率时,振幅较大,该频率点有待进一步分析。根据振强曲线得知,最大值为 3 520,换算成振强值为 35.2,设定振强上限值为 37,没有超过上限累积时间 0.5 s。测试中振动磨机没有发生停机现象,振强曲线基本符合变频器的频率输出变化规律,实现变正弦曲线下的变振强控制。图 7 实物模拟测试 比较振幅变化曲线和振强变化曲线,可以推断在振幅增加的过程中,其振动强度也会随之增大。4 结语 本文根据磨机工作中的震动特点,考虑到运行中振幅振强对磨机的影响因素,设计增加振幅振强反馈环节,实现振动状态的实时监控。在磨机工作过程中,实现磨机的变频调速;当系统振强到达特定的临界值时,系统可以自动调节控制方案,保证磨机正常可靠运行,实现振幅振强的预控制目标。在测试过程中,数据采集精度不够高,后续将进一步研究改进。参考文献1刘习军,贾启芬.震动理论及工程应用M.北京:机械工业出版社,2006.2李丽娟.C 语言程序设计教程M.北京:人民邮电出版社,2009.3吴成军.工程震动分析与控制基础M.北京:机械工业出版社,2009.4李方园.变频器与伺服应用M.北京:机械工业出版社,2016.5黄永红,吉裕晖,杨东.PLC 控制电机变频调速实验系统的设计与实现 M.北京:人民邮电出版社,2007.6陈志红.变频器技术及应用M.北京:电子工业出版社,2016.(编辑 沈 强)Design of control system for vibration mill based on single chip microcomputerDing Yanling Wu Jie 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 monitoring24