一種用于消減殘余應(yīng)力的單片機(jī)控制系統(tǒng)的研究

張國(guó)順，高 頂，蔣 萍，王村偉，許林敏

ZHANG Guo-shun，GAO Ding，JIANG Ping，WANG Cun-wei，XU Lin-min

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

消減工件殘余應(yīng)力傳統(tǒng)的方法是自然時(shí)效（NSR——Natural Stress Relief）和熱時(shí)效（TSR——Thermal Stress Relief），而振動(dòng)用于消減應(yīng)力是目前常用的方法，有振動(dòng)時(shí)效（VSR——Vibratory Stress Relief）。如果振動(dòng)用于焊接過(guò)程中，即振動(dòng)焊接（VWC——Vibratory Weld Condition）[1]。它們是在亞共振的條件下，通過(guò)施加振動(dòng)外力和殘余應(yīng)力相互作用，使材料組織發(fā)生塑性變形，從而其形狀和尺寸穩(wěn)定。與傳統(tǒng)方法相比，這種消減應(yīng)力的方法由于節(jié)能環(huán)保、效率高、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，近年來(lái)在多個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這種振動(dòng)裝置示意圖如圖1所示。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來(lái)控制振動(dòng)的頻率，和通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)軸上偏心裝置的調(diào)節(jié)來(lái)控制振幅。

AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)變頻控制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制振動(dòng)頻率。理論依據(jù)：根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與頻率f的關(guān)系n=60*f*（1-s）/p可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s和極對(duì)數(shù)p一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比。所以通過(guò)對(duì)工作電源頻率的改變來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]。與此同時(shí)，通過(guò)應(yīng)力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)過(guò)程中被測(cè)工件殘余應(yīng)力的變化情況，并顯示其大小。這樣就避免了手動(dòng)測(cè)量的工作量和檢測(cè)人員帶來(lái)的人為誤差。

1 單片機(jī)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)大致由三個(gè)部分組成：主電路、逆變電源控制及信號(hào)采集處理電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)及鍵盤顯示電路。總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

主電路部分主要實(shí)現(xiàn)AC-DC-AC的變換，包括電源、整流電路、逆變電路和濾波電路等。

逆變電源控制及信號(hào)采集處理電路，其中的逆變電源控制單元，主要完成對(duì)逆變電路的檢測(cè)、控制和保護(hù)等功能，使系統(tǒng)智能化；信號(hào)采集處理單元主要通過(guò)對(duì)工作電源信號(hào)的采集、處理和反饋，以改善主電路對(duì)負(fù)載的輸出；通過(guò)傳感器對(duì)殘余應(yīng)力采集、變換和處理，得到實(shí)時(shí)的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)并顯示。這部分主要包括SA4828芯片[3]、隔離放大驅(qū)動(dòng)電路、應(yīng)力傳感器、電壓頻率變換電路、采樣電路、多路開(kāi)關(guān)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等。

圖1 振動(dòng)裝置示意圖

單片機(jī)最小系統(tǒng)及鍵盤顯示電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本功能，顯示器和鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括5V電源電路、掉電保護(hù)電路、晶振電路和上電復(fù)位電路等。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

基本工作原理：主電路中三相交流電源經(jīng)過(guò)整流和濾波后，再經(jīng)過(guò)逆變電路，同時(shí)以AT89S51單片機(jī)和SA4828芯片為核心的控制電路產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離、放大并驅(qū)動(dòng)逆變電路，完成SPWM波的產(chǎn)生。為了使產(chǎn)生SPWM電壓波形穩(wěn)定，通過(guò)電流電壓變換電路，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采用閉環(huán)PI反饋調(diào)節(jié)。同時(shí)，通過(guò)傳感器采集殘余應(yīng)力信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和顯示。其中，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)電路，在單片機(jī)系統(tǒng)的分時(shí)控制下進(jìn)行采樣。

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 主電路

主電路主要由AC/DC整流濾波、DC/AC三個(gè)獨(dú)立的單相橋式逆變器和輸出濾波三大部分組成。原理框圖如圖3所示[4]。

圖3 主電路原理框圖

輸入三相380V、50Hz交流電，經(jīng)過(guò)EMI（Eelctro-Magnetic Interference）抑制、整流和濾波后得到直流電，供給三個(gè)獨(dú)立的單相逆變器，即逆變器A、逆變器B和逆變器C。逆變器的核心部分采用EXB850集成芯片，這是一種專用于IGBT的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能于一體的復(fù)合集成電路。三個(gè)逆變器在控制電路相位互差120度的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，輸出SPWM電壓波形。

2.2 逆變電源控制及信號(hào)采集處理電路

逆變電源控制單元部分的核心是SA4828芯片，在單片機(jī)控制下，接收來(lái)自處理器的指令和數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路的檢測(cè)、控制和保護(hù)等功能，使系統(tǒng)智能化。SA4828是一種通用可編程的微機(jī)外圍芯片，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化操作。它可對(duì)每一相獨(dú)立進(jìn)行控制；對(duì)頻率的控制精度達(dá)16位，工作頻率范圍可達(dá)4kHz；對(duì)產(chǎn)生的諧波有很好的抑制作用；有內(nèi)置“看門狗”定時(shí)器以提高可靠性。對(duì)輸出電壓和頻率的變換和取樣，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制，對(duì)SA4828所產(chǎn)生的電壓和頻率控制信號(hào)形成閉環(huán)反饋，使工作輸出電壓和頻率更加穩(wěn)定。

圖4 信號(hào)采集處理電路原理框圖

信號(hào)采集處理電路大致可分兩部分，一部分是逆變電路中的反饋所需的電壓和頻率信號(hào)，另一部分是應(yīng)力傳感器采集的信號(hào)。這三路信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波等處理后，進(jìn)入多路選擇開(kāi)關(guān)電路，在單片機(jī)系統(tǒng)分時(shí)控制下，選擇其中的某一路信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣保持后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了提高轉(zhuǎn)換后的精度，可選用12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。原理框圖如圖4所示。

2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)及鍵盤顯示電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基本功能，5V電源電路提供控制系統(tǒng)所需的電源；晶振電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行速度就越快；上電復(fù)位電路用于單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)或運(yùn)行中發(fā)生錯(cuò)誤后的初始化；掉電保護(hù)電路是指斷電后，及時(shí)貯存重要數(shù)據(jù)。顯示器和鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入輸出功能，通過(guò)用于單片機(jī)的VGA接口卡直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示器；單片機(jī)通過(guò)專用接口電路與標(biāo)準(zhǔn)PC鍵盤相連。另外，還有3-8譯碼電路和RAM存貯電路等。原理框圖如圖5所示。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)軟件部分

軟件部分是單片機(jī)系統(tǒng)的非常重要的組成部分，它決定逆變電源的輸出特性，如電壓和頻率范圍及穩(wěn)定度、對(duì)諧波分量的抑制、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、保護(hù)功能和工作可靠性等。程序采用模塊化編程，組成模塊有：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)模塊、SA4828控制模塊、PI模塊和輸入輸出模塊。其中，PI調(diào)節(jié)采用分散式，使閉環(huán)控制更穩(wěn)定[5]，從而提高逆變器輸出電壓頻率的穩(wěn)定度、精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。程序采用匯編語(yǔ)言形式，這樣可以提高程序的執(zhí)行效率和節(jié)省內(nèi)存空間。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

控制系統(tǒng)的輸出頻率范圍為0-400Hz。通過(guò)改變輸出頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率。同時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示殘余應(yīng)力的變化情況。通過(guò)對(duì)焊接件的試驗(yàn)和殘余應(yīng)力分析驗(yàn)證，達(dá)到預(yù)期效果。

[1]Jyoti Prakash,Dr S P Tewari，Bipin Kumar Srivastava,A Review on Solidification and Change in Mechanical Properties under Vibratory Welding Condition[J].International Journalof Engineering Science and Technology,2010,2（4）：462-467.

[2]秦曾煌.電工學(xué)[M].高等教育出版社,2004.

[3]李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛(ài)華.逆變電源實(shí)用技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社,2005.

[5]Dan Chen,Dale E Seborg,Design of Decentralized PI control systems based on Nyquist Stability Analysis[J]，Department of Chemical Engineering University of California,Santa Barbara,CA 93106,USA,Journal of Process Control 13（2003）27-39.