基于單片機控制的電磁場產生裝置的設計

黃海鳳，胡漢春

(1. 西南交通大學 機械工程學院；成都 610031)

0 引言

磁場在工業生產、交通運輸、航空航天、軍事等方面均具有非常廣泛的應用。當對磁感應強度的穩定性和誤差要求并不嚴格的情況下，設計磁場產生裝置較為簡單；若對磁感應強度的穩定性、誤差范圍、響應速度以及磁場的分布都作出嚴格要求時，磁場產生裝置的設計較為復雜。尤其在要求空氣隙外的漏磁感應強度的穩定性、誤差及響應速度較高的情況下，磁場產生裝置的設計將更為復雜。

影響電磁場產生裝置的漏磁感應強度變化的因素較多，諸如微弱的振動、電流的微弱變化、溫度變化等，都會使得空氣隙中的磁感應強度發生變化。因此，為了使空氣隙漏磁感應強度達到設計要求的精度及穩定性，需對磁場進行閉環控制。

根據技術要求正確的設計磁場產生裝置至關重要。所設計的技術要求為：電磁場產生裝置的磁感應強度誤差波動不大于10Gs，且工作點的漏磁感應強度能夠在0～0.27T之間連續調節，在指定路徑上的磁感應強度分布近似正態分布。為達到這一設計要求，可首先采用有限元軟件ANSYS對該裝置進行計算和仿真分析。

1 磁場環境

1.1 漏磁的產生

圖1為電磁場產生裝置的簡圖及工作點位置。通過勵磁線圈產生磁場，要求圖1所示的氣隙正上方3mm處工作點的磁感應強在小于0.27T的范圍內可調，且誤差不大于10Gs，并能夠連續24小時穩定在誤差范圍內。工作點的磁感應強度不在氣隙中，而是在氣隙的上方，故屬于漏磁場。

圖1 磁路

1.2 漏磁分析

通過ANSYS軟件對圖1所示的磁場產生裝置模型進行計算，可以得到磁感應強度的分布如圖2所示。由于磁極具有聚磁作用，磁極的形狀影響磁感應強度的分布。這是由于鐵磁材料的強導磁作用，磁感應強度的變化是沿著磁軛、磁極的方向流動的，因此磁極的形狀將影響磁路的形成，進而影響工作點的磁場強度。氣隙的寬度尺寸較大時，由于空氣的導磁性較差，氣隙中的磁感應強度較小，導致工作點的磁感應強度較小；若氣隙的寬度尺寸過小時，氣隙中磁感應強度較強，但漏磁較少，也會導致工作點的磁感應強度較小。為了增加工作點的磁感應強度，需要合理選擇氣隙的寬度尺寸。由此可見，磁極的形狀和氣隙的寬度是影響工作點漏磁感應強度大小的兩個關鍵因素。

圖2 磁感應強度分布圖

本裝置采用ANSYS軟件對氣隙的寬度和磁極的尺寸進行了優化分析和仿真。經計算，圖1所示路徑上的磁感應強度近似正態分布，如圖3所示。

圖3 路徑上的磁感應強度分布

2 控制系統

電磁場產生裝置易受工作環境的影響，這使得漏磁感應強度極易受到干擾。實驗表明，微弱的振動、溫度變化、噪音等即可使工作點的磁感應強度變化大于3Gs。因此，為了保證工作點的磁感應強度穩定在誤差范圍內，必須嚴格控制、調整線圈的供電電流。通過控制線圈的電流，保證工作點的磁感應強度的誤差不大于10Gs。

該電磁場產生裝置可由上位機監控和檢測，滿足遠程控制的要求。在工作現場，由下位單片機構成控制系統進行直接控制。這樣就使得該裝置即可接受上位機的指令并反饋信息，又可單獨設置、調節和顯示工作點的磁場強度，完全脫離上位機而獨立工作。

磁場的控制系統原理圖如圖4所示。控制單元采用89C51單片機，檢測單元采用霍爾元件，并通過鍵盤或上位機輸入設定值，采用數碼管或上位機實時顯示工作點的磁感應強度值。

經鍵盤或上位機輸入需要產生的磁感應強度設定值后，單片機接收到該設定值，經過程序處理輸出控制信號，該控制信號控制勵磁電源輸出相應數值的電壓，為磁場產生裝置的線圈提供勵磁電流，以產生相應大小的磁場。

在這一過程中，由于外界溫度、噪音、振動以及線圈的電阻變化等干擾，會導致磁場大小發生變化。為了保證磁場保持穩定，控制過程中必須加入反饋環節，如圖4所示。用傳感器來測量磁場的大小，將該測量值與輸入值進行比較，進而形成反饋，控制電源的輸出值。由此通過閉環控制，實時調整電源的輸出電流來保持產生磁場的穩定。

圖4 控制原理圖

3 硬件設計

控制系統的硬件如圖5所示。主要包括：單片機及接口電路、設定值輸入（工作點磁感應強度設定值）、檢測信號輸入、控制輸出和顯示等部分。

采用89C51單片機作為控制系統的核心，其接口電路包括數據的采集、模/數（A/D）轉換和數/模(D/A)轉換、電壓信號放大、與上位機進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強度設定值。

霍爾傳感器檢測磁感應強度形成檢測輸入信號。

單片機經D/A轉換發出控制信號去控制勵磁電源。

輸出顯示采用LED數碼管組成的顯示電路。

圖5 硬件原理圖

4 軟件設計

通過控制系統的控制程序來控制工作點的磁感應強度達到要求。控制程序主要由中斷程序和主程序組成。

主程序的流程圖如圖6所示。控制系統接通電源后，等待輸入值B0（即要產生的磁感應強度設定值），輸入設定值可以通過鍵盤輸入也可以通過上位機輸入；程序根據該輸入設定值的大小調整D/A轉換器的輸出值V0，給電源提供供電信號。同時A/D轉換器將傳感器的輸入信號轉換成數字量B，并與設定值B0進行比較，形成偏差值，根據偏差值來調節輸出值V0，以達到減小偏差的目的。

中斷程序主要功能：磁場產生裝置工作的過程中可以隨時停機或變更輸入值的大小。

上位機與單片機是通過串口進行通信的，串口通信采用標準的RS232通信協議。上位機通過RS232通信協議向單片機（下位機）傳送命令，單片機將現場的輸入傳送給上位機，供上位機監控。

磁場產生裝置的工作區域是圖1所示的空氣隙部分，在工作現場，有諸多干擾因素會影響氣隙磁場的信號采樣，因此必須對采樣信號進行數字濾波處理，去除干擾信號，否則將會影響氣隙磁場的控制精度。濾波采用中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法），即在一組采樣數據中，去掉最大采樣值和最小采樣值，將剩余的數據求平均值作為采樣的數據。去掉最大采樣值和最小采樣值是為了消除脈沖干擾。

為了避免對磁場產生裝置線圈的電流沖擊，程序開始執行時，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

霍爾傳感器將測量點的磁感應強度的大小轉化成相應大小的霍爾電壓值，再將該霍爾電壓值送入A/D轉換器，A/D轉換器輸出相應大小的轉換值，和D/A轉換器的輸出位數之間的關系要進行標定。標定是否準確直接影響磁場產生裝置的精度。

在標定過程中，需用高精度特斯拉計對工作點的磁感應強度進行測量，再進行標定。

5 試驗及結果分析

為了檢驗磁場產生裝置是否滿足設計要求，對磁場產生裝置工作點和工作路徑上的磁感應強度的大小和磁感應強度的變化趨勢進行測試。

5.1 工作點磁感應強度

標定后對圖1所示磁場產生裝置工作點的磁感應強度值進行測試，得出輸入值與測量值之間的對應值如表1所示。誤差值δ≤6 Gs，達到設計要求。工作點的磁感應強度可以在0～0.27T（2700Gs）之間連續變化。

表1 標定后輸入值和測量值對比表

5.2 工作路徑上磁感應強度

為了校核圖1所示的工作路徑上的磁感應強度值是否按近似正態分布的變化趨勢，采用分辨率為0.1Gs的特斯拉計對磁場產生裝置進行測試，用三維高精度移動平臺確定圖1所示的測試路徑，校核磁場產生裝置是否達到要求。

表2中用X軸的坐標值表示路徑上對應的測試點。在輸入值為2300Gs的狀態下對路徑上各點的磁感應強度進行測試，測試結果見表2。

根據表2中的磁感應強度值的大小得到了路徑上的磁感應強度的變化趨勢如圖7所示。其分布趨勢近似正態分布。并于通過ANSYS軟件計算得到的路徑磁感應強度分布（如圖3所示）一致。

圖7 路徑上的磁感應強度分布

表2 磁感應強度試驗數據表

6 結論

由于磁場產生裝置極易受干擾，將會影響漏磁場的穩定性，因此控制系統的重點是在外界因素變化的情況下，保證磁場能夠達到所要求的精度。通過實驗證明，所設計的磁場控制系統能夠保證工作點的磁感應強度為0.25T時，誤差不超過10GS ，實現了對空氣中漏磁的高精度控制。工作點的漏磁場可以對工件進行計數、探傷等。計數時，可以根據工件的大小及材質調整工作點的漏磁場大小。若工件較小，且工件材料的導磁性能較差時，則通過控制系統增大工作點的磁感應強度，反之，減小工作點的磁感應強度。探傷時，根據漏磁場的大小可以估算工件缺陷的尺寸和形狀。

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