基于ARM的冷鐓機(jī)變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

劉彥磊， 石維佳

(1.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，天津 300402;2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130)

0 引言

冷鐓機(jī)是在常溫下將鋼筋鐓成一定形狀的產(chǎn)品。在改造前，此設(shè)備生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件的大小、長(zhǎng)短、材質(zhì)靠改變飛輪大小來(lái)改變輥輪進(jìn)料速度。因此，每換一種生產(chǎn)配件或材料，必須把巨大的飛輪拆下來(lái)，再裝入合適的飛輪，有時(shí)為達(dá)到要求的精確度，飛輪需拆裝多次，非常浪費(fèi)人力、物力和時(shí)間。改裝后:只要改變頻率控制，轉(zhuǎn)速就能達(dá)到要求，無(wú)需更換飛輪。調(diào)試更方便、精確，保護(hù)更齊全。經(jīng)分析，決定采用變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 系統(tǒng)控制功能和要求

不改動(dòng)冷鐓機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，將其改造為變頻調(diào)速，調(diào)速范圍為60～110件/min。變速系統(tǒng)安全可靠，使冷鐓機(jī)平穩(wěn)連續(xù)變速。同時(shí)，增加液晶顯示裝置顯示加工件數(shù)，控制系統(tǒng)具有設(shè)定加工工件總數(shù)、達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停機(jī)，當(dāng)中間需停機(jī)續(xù)料或出故障停機(jī)后，再次開(kāi)機(jī)時(shí)連續(xù)計(jì)數(shù)的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能要求，采用了以LPC2103為核心的自動(dòng)控制器，其自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以ARM7結(jié)構(gòu)的LPC2103為控制器，液晶顯示屏為人機(jī)界面，通過(guò)變頻器來(lái)改變電機(jī)的速度，從而實(shí)現(xiàn)在不改動(dòng)冷鐓機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的情況下改造為無(wú)級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)冷鐓機(jī)的智能自動(dòng)控制系統(tǒng)。可通過(guò)RS-232/485串口通信把冷鐓機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)情況，及其故障等傳到上位機(jī)PC上，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2．1 LPC2103 模塊

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本模塊主要用來(lái)完成對(duì)變頻器的自動(dòng)控制和把冷鐓機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況及加工的零件個(gè)數(shù)反饋給PC進(jìn)行顯示，同時(shí)也用來(lái)完成根據(jù)設(shè)定零件個(gè)數(shù)設(shè)置變頻器的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)中選用了ARM7結(jié)構(gòu)的LPC2103作為主控制器，該控制器是一種32位的ARM7 TDMI-S微控制器，最高工作速度可達(dá)70 MHz，32 kB的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器和8 k的片內(nèi)靜態(tài)RAM。LPC2103的10位A/D轉(zhuǎn)換器提供8路模擬輸入，多達(dá)32個(gè)通用I/O口(可承受5 V電壓)，高級(jí)性能還使其特別適用于工業(yè)控制。

2．2 RS－232模塊

本模塊主要用于完成LPC2103主控器與PC機(jī)之間的通信，把從PC機(jī)上設(shè)定的加工零件的個(gè)數(shù)、起動(dòng)、停止、報(bào)警等命令送到LPC2103主控器進(jìn)行處理，得出變頻器的控制參數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷鐓機(jī)的電機(jī)達(dá)到所需要的加工零件個(gè)數(shù)，同時(shí)把冷鐓機(jī)實(shí)時(shí)加工零件個(gè)數(shù)和運(yùn)行故障等情況通過(guò)LPC2103主控器反饋給PC機(jī)，從而做出下一步控制。電路原理圖如圖3所示。

2．3 EV2000變頻器模塊

本模塊選取了EV2000-4T 0075G，EV2000采用獨(dú)特的控制方式實(shí)現(xiàn)了高精度、寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)，具有低噪聲、低電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，其惡劣環(huán)境(如潮濕、油污、粉塵等)的適應(yīng)能力強(qiáng)，恰好滿足冷鐓機(jī)生產(chǎn)線油塵多的要求，變頻器通過(guò)D/A與LPC2103組成控制系統(tǒng)。LPC2103把輸出的數(shù)字參數(shù)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為變頻器所需的0～5(10)V或0～20 mA控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的輸出頻率在0～50 Hz范圍內(nèi)改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，達(dá)到加工零件個(gè)數(shù)從60～110件/min改造設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)，在變頻器外部設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)速電位器也可實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)控制調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率在0～50 Hz改變，達(dá)到人工手動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)的軟件主要包括上位機(jī)PC的顯示程序和LPC2103控制器的主程序。上位機(jī)PC的顯示程序主要用來(lái)完成冷鐓機(jī)起動(dòng)、停止、故障報(bào)警，加工零件個(gè)數(shù)設(shè)置和顯示等功能。

LPC2103控制器的主程序如圖2所示。

圖2 控制器主程序

控制器主程序主要用來(lái)完成把從PC機(jī)上傳輸過(guò)來(lái)的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行處理和計(jì)算，然后把處理好的數(shù)據(jù)送到D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成變頻器所需要的0～5(10)V或0～20 mA控制信號(hào)，變頻器得到了所需要的信號(hào)后就會(huì)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)就會(huì)帶動(dòng)冷鐓機(jī)運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)零件計(jì)數(shù)傳感器把實(shí)際生產(chǎn)的零件個(gè)數(shù)反饋給主控制器，主控制器就會(huì)把反饋回來(lái)的數(shù)和設(shè)定進(jìn)行對(duì)比。如果不一致，則重新調(diào)節(jié)變頻器改變電機(jī)的速度以達(dá)到預(yù)期的目的。同時(shí)，也把冷鐓機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，故障報(bào)警燈信息反饋給主控制器，主控制器經(jīng)過(guò)處理后返給上位機(jī)PC進(jìn)行顯示和報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

最終經(jīng)實(shí)車(chē)試驗(yàn)表明用此方案改進(jìn)的冷鐓機(jī)變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)計(jì)的功能達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，既保證了加工精度，也大大節(jié)省了人力、物力，提高了工作效率，現(xiàn)已成功應(yīng)用到螺栓生產(chǎn)線中。

［1］原魁，劉偉強(qiáng)，鄒偉，等.變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.EV2000系列通用變頻器用戶手冊(cè)［G］.2004.