一種用于消減殘余應力的單片機控制系統的研究

張國順，高 頂，蔣 萍，王村偉，許林敏

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

（中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116）

0 引言

消減工件殘余應力傳統的方法是自然時效（NSR——Natural Stress Relief）和熱時效（TSR——Thermal Stress Relief），而振動用于消減應力是目前常用的方法，有振動時效（VSR——Vibratory Stress Relief）。如果振動用于焊接過程中，即振動焊接（VWC——Vibratory Weld Condition）[1]。它們是在亞共振的條件下，通過施加振動外力和殘余應力相互作用，使材料組織發生塑性變形，從而其形狀和尺寸穩定。與傳統方法相比，這種消減應力的方法由于節能環保、效率高、工藝簡單等特點，近年來在多個領域得到越來越廣泛的應用。這種振動裝置示意圖如圖1所示。通過對電動機的轉速控制來控制振動的頻率，和通過對電動機軸上偏心裝置的調節來控制振幅。

AT89S51單片機控制系統通過變頻控制來控制電動機的轉速，從而控制振動頻率。理論依據：根據異步電動機的轉速n與頻率f的關系n=60*f*（1-s）/p可知，當轉差率s和極對數p一定時，轉速n與頻率f成正比。所以通過對工作電源頻率的改變來調節電動機的轉速[2]。與此同時，通過應力傳感器實時檢測振動過程中被測工件殘余應力的變化情況，并顯示其大小。這樣就避免了手動測量的工作量和檢測人員帶來的人為誤差。

1 單片機控制系統的總體結構

本控制系統大致由三個部分組成：主電路、逆變電源控制及信號采集處理電路和單片機最小系統及鍵盤顯示電路。總體結構圖如圖2所示。

主電路部分主要實現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采集處理電路，其中的逆變電源控制單元，主要完成對逆變電路的檢測、控制和保護等功能，使系統智能化；信號采集處理單元主要通過對工作電源信號的采集、處理和反饋，以改善主電路對負載的輸出；通過傳感器對殘余應力采集、變換和處理，得到實時的殘余應力數據并顯示。這部分主要包括SA4828芯片[3]、隔離放大驅動電路、應力傳感器、電壓頻率變換電路、采樣電路、多路開關電路、A/D轉換電路等。

圖1 振動裝置示意圖

單片機最小系統及鍵盤顯示電路，單片機最小系統實現基本功能，顯示器和鍵盤實現輸入輸出功能，單片機最小系統包括5V電源電路、掉電保護電路、晶振電路和上電復位電路等。

圖2 控制系統總體結構圖

基本工作原理：主電路中三相交流電源經過整流和濾波后，再經過逆變電路，同時以AT89S51單片機和SA4828芯片為核心的控制電路產生PWM信號，經過隔離、放大并驅動逆變電路，完成SPWM波的產生。為了使產生SPWM電壓波形穩定，通過電流電壓變換電路，并進行A/D轉換，采用閉環PI反饋調節。同時，通過傳感器采集殘余應力信號，經過A/D轉換后進行實時跟蹤和顯示。其中，通過多路開關電路，在單片機系統的分時控制下進行采樣。

2 系統硬件部分

2.1 主電路

主電路主要由AC/DC整流濾波、DC/AC三個獨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，經過EMI（Eelctro-Magnetic Interference）抑制、整流和濾波后得到直流電，供給三個獨立的單相逆變器，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的集驅動、保護等功能于一體的復合集成電路。三個逆變器在控制電路相位互差120度的驅動信號作用下，輸出SPWM電壓波形。

2.2 逆變電源控制及信號采集處理電路

逆變電源控制單元部分的核心是SA4828芯片，在單片機控制下，接收來自處理器的指令和數據，以實現對逆變電路的檢測、控制和保護等功能，使系統智能化。SA4828是一種通用可編程的微機外圍芯片，實現全數字化操作。它可對每一相獨立進行控制；對頻率的控制精度達16位，工作頻率范圍可達4kHz；對產生的諧波有很好的抑制作用；有內置“看門狗”定時器以提高可靠性。對輸出電壓和頻率的變換和取樣，進行A/D轉換，經過單片機的協調控制，對SA4828所產生的電壓和頻率控制信號形成閉環反饋，使工作輸出電壓和頻率更加穩定。

圖4 信號采集處理電路原理框圖

信號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，另一部分是應力傳感器采集的信號。這三路信號經過放大濾波等處理后，進入多路選擇開關電路，在單片機系統分時控制下，選擇其中的某一路信號，經過采樣保持后，再進行A/D轉換。為了提高轉換后的精度，可選用12位的數模轉換器。原理框圖如圖4所示。

2.3 單片機最小系統及鍵盤顯示電路

單片機最小系統實現基本功能，5V電源電路提供控制系統所需的電源；晶振電路產生單片機所需的時鐘頻率，時鐘頻率越高，單片機運行速度就越快；上電復位電路用于單片機系統開機或運行中發生錯誤后的初始化；掉電保護電路是指斷電后，及時貯存重要數據。顯示器和鍵盤實現輸入輸出功能，通過用于單片機的VGA接口卡直接驅動LCD顯示器；單片機通過專用接口電路與標準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 單片機最小系統原理框圖

3 系統軟件部分

軟件部分是單片機系統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定度、對諧波分量的抑制、系統的動態響應速度、保護功能和工作可靠性等。程序采用模塊化編程，組成模塊有：單片機系統模塊、SA4828控制模塊、PI模塊和輸入輸出模塊。其中，PI調節采用分散式，使閉環控制更穩定[5]，從而提高逆變器輸出電壓頻率的穩定度、精度和動態響應速度。程序采用匯編語言形式，這樣可以提高程序的執行效率和節省內存空間。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結束語

控制系統的輸出頻率范圍為0-400Hz。通過改變輸出頻率來改變電機的轉速，從而調節振動頻率。同時，動態顯示殘余應力的變化情況。通過對焊接件的試驗和殘余應力分析驗證，達到預期效果。

[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[M].高等教育出版社,2004.

[3]李宏.電力電子設備用器件與集成電路應用指南[M].機械工業出版社,2001.

[4]周志敏,周紀海,紀愛華.逆變電源實用技術[M].中國電力出版社,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.