基于單片機的振動磨機控制系統設計

摘要：在工業生產應用中，非線性振動磨機運行中有確定激勵不確定響應的混沌振動特點。文章以AVR單片機為主控核心，使用外圍模擬量輸入/輸出擴展模塊控制器，結合VB軟件設計上位機數據采集控制數據終端，實現對振動磨機超高振強提前減幅、振幅超限急停控制功能；在程序設計中增加振強及振幅反饋環節，與上位機和變頻器相結合形成閉環控制，實現振動狀態的實時監控。系統進一步提高了振動磨機的能源利用效率，改善了振動磨機的使用性能，提高了生產現場工作效率。

關鍵詞：AVR單片機控制器；超前控制；實時監控

中圖分類號：TP332文獻標志碼：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，在開發特殊性能的新材料時，具有相當大的潛力。在航空航天、飛機制造、精密機械、光學儀器、汽車制造、信息技術、化學塑料等領域都有著廣闊的應用前景。

高振強振動磨技術是一種在振動強度較高條件下的振動磨技術［1］。目前，應用高振強振動磨技術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程中顆粒不易細化、容易團聚等弊端，進而實現超硬粉體的微納化。

1 單片機智能變頻應用

AVR atmega16L-8PU是由ATMEL公司生產的單片微處理器，屬于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，具有先進的指令集以及單時鐘指令周期執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，可以減緩系統功耗和處理速度之間的矛盾。其片上硬件資源非常豐富，運算速度在相同晶振下是常規51微處理器的8倍，且價格與同類產品相當，一經推出，備受關注，在控制領域得到廣泛的應用。

控制磨機的3個狀態分別是啟動狀態、正常運行狀態和緊急情況調控狀態，每一個狀態各有特點。

磨機在啟動時，過渡狀態很重要，一方面可以保證磨機振動時振動強度、振幅、噪聲較小，另一方面能夠保證磨機壽命不會因為常啟動而減少。所以其過渡時間要有所保證，但是啟動時間也不能過長，否則會降低磨機的工作效率。

1.1 控制核心AVR atmega16L-8PU

Atmega16的片上硬件資源豐富，具有16 k字節的閃存可編程標準系統，512字節的EEPROM，1 k字節的SRAM，32個通用輸入輸出接口和32個通用工作區。配有1個JTAG接口，支持片內調試和編程，具有異步UART，8路10位可選差分輸入位ADC，片內集成SPI協議與IIC協議［2］。多種功能為一體，可以利用ICC AVR軟件進行編譯與實時調試，原理如圖1所示。

AD574A內部結構引腳功能如圖2所示，當輸出接高電平時，輸出數據是12位字長；當輸出接低電平時，將轉換輸出的數變成兩個8位字輸出。

1.2 系統總體設計

物料經過破碎機械破碎后的物料粒度集中在8～20 mm，為達到生產工藝需要的細度要求，破碎后的物料還需經過粉磨機械磨細。粉磨是現代工業生產中的一個重要環節。

振動磨機主要由圓柱形筒體、端蓋、上下質體、非線性彈簧減振彈簧和振動電機等部分組成，筒體內可以裝入直徑為25～150 mm的鋼球或鋼棒，簡稱為磨介，磨介裝入量為整個筒體有較容積的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。筒體固定在上質體上，上下質體通過非線性彈簧連接，用振動電機運轉產生激振力對齊進行驅動。當磨機工作時，磨介和物料在激振力的作用下在筒內進行碰撞運動，其中一部分鋼球在筒體內對物料有研磨作用，以上即是物料的粉碎過程。

系統結構組成包括AVR單片機控制器、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磨機。設計采用CA-3型積分電荷放大器與YD64壓電加速度計協同工作，實現對磨機實際變頻的振強和振幅在線實時檢測、數據采集和速度預控制，設計系統結構如圖3所示。

本文設計使用四方電氣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端口接故障緊急復位端口，FWD接大地，表示正轉控制，GND接地線，VC端接PLC硬件0～5 V頻率設定端口，R、S、T分別接三相電源，U、V、W接磨機。變頻器實物連接情況如圖4所示。

2 系統軟件設計

結合硬件控制原理，進行系統的硬件及其軟件設計。磨機正常工作狀態下，一個周期為6個正弦波，各個正弦波都以50 Hz為基軸，時間及頻率跨度都不相同。生產中考慮實際情況，在極短時間內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。在現場控制過程中，為保證現場工作人員和設備的安全，必須增加振幅超限急停環節和振強超限環節。本文設計程序流程如圖5所示。

磨機系統工作過程中，閉環控制需要將電荷積分放大器采集得到的系統實時振幅和振強數據，傳輸返回上位機。為實現數據采集監控功能，本設計采用VB6.0軟件，編寫上位機數據采集程序，如圖6所示為VB軟件設計的采集數據界面。

VB數據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'發送緩沖區清零

MSComm1.InBufferCount = 0 '接收緩沖區清零

MSComm1.OutBufferSize = 64'發送緩沖區為512字節

MSComm1.InBufferSize = 64'發送緩沖區為512字節

MSComm1.RThreshold = 1'接收到4個字符觸發事件

MSComm1.InputLen = 0 '一次讀取全部緩沖區數據

MSComm1.Settings = \"9600，n，8，1\"

MSComm1.InputMode = comInputModeBinary

Text5.Text = 0

Command10.Enabled = False

Label11.Caption = \"停止\"

End Sub

3 磨機模擬調試

根據上述硬件原理圖將磨機、變頻器、AVR單片機控制器、上位機、加速度傳感器和電荷放大器等硬件連接起來，并分部進行硬件功能測試，確保硬件系統穩定可靠。

軟件程序下載至AVR單片機控制器，啟動程序狀態監控，實物連接如圖7所示。等待監控正常時，打開啟動開關，系統開始運行，運行前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，磨機振動聲音逐漸變大；當振強降低時，磨機振動聲音降低［6］。在15 Hz頻率時，振幅較大，該頻率點有待進一步分析。根據振強曲線得知，最大值為3 520，換算成振強值為35.2，設定振強上限值為37，沒有超過上限累積時間0.5 s。測試中振動磨機沒有發生停機現象，振強曲線基本符合變頻器的頻率輸出變化規律，實現變正弦曲線下的變振強控制。

比較振幅變化曲線和振強變化曲線，可以推斷在振幅增加的過程中，其振動強度也會隨之增大。

4 結語

本文根據磨機工作中的震動特點，考慮到運行中振幅振強對磨機的影響因素，設計增加振幅振強反饋環節，實現振動狀態的實時監控。在磨機工作過程中，實現磨機的變頻調速；當系統振強到達特定的臨界值時，系統可以自動調節控制方案，保證磨機正常可靠運行，實現振幅振強的預控制目標。在測試過程中，數據采集精度不夠高，后續將進一步研究改進。

參考文獻

［1］劉習軍，賈啟芬.震動理論及工程應用［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［2］李麗娟.C語言程序設計教程［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［3］吳成軍.工程震動分析與控制基礎［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］李方園.變頻器與伺服應用［M］.北京：機械工業出版社，2016.

［5］黃永紅，吉裕暉，楊東.PLC控制電機變頻調速實驗系統的設計與實現［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［6］陳志紅.變頻器技術及應用［M］.北京：電子工業出版社，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