金屬機械中的電子控制系統(tǒng)設計及應用

張建國

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院，甘肅 武威 733006）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)對于生產(chǎn)設備的質量要求逐漸提高，金屬機械作為生產(chǎn)設備中的重要工具，對其要求不再只局限于性能上，金屬機械的安全性、操作簡便性、工作效率也成為了重要的評價標準。電子控制系統(tǒng)是以智能化為核心，采集金屬機械的相關信號，經(jīng)過不同的控制單元對金屬機械進行控制，實現(xiàn)全自動操作的設備，是智能化工廠的關鍵組成。本文設計一種全新的金屬機械電子控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展需求。

1 金屬機械中的電子控制系統(tǒng)硬件設計

金屬機械中的電子控制系統(tǒng)硬件主要包括三部分，分別為傳感器、控制器和執(zhí)行器[1]。其相互之間的關系為：傳感器精準獲取狀態(tài)信息，并向控制器發(fā)送輸入信號；控制器處理輸入信號，根據(jù)給定方式處理數(shù)據(jù)，向執(zhí)行器發(fā)送控制信號；執(zhí)行器根據(jù)控制器的控制信號，執(zhí)行相應動作。再對三者進行細分，傳感器包括按鈕開關、拉力傳感器、電機轉速傳感器以及傾角傳感器等?？刂破饔挚煞譃檩斎?、輸出接口、核心控制器以及網(wǎng)絡端口等。執(zhí)行器可分為狀態(tài)輸出指示燈、報警器以及伺服電機等。

1.1 傳感器設計

傳感器是用于獲取金屬機械運行狀態(tài)的主要途徑，傳感器類型的選擇由金屬機械的狀態(tài)決定，首先明確所需的運行狀態(tài)，針對狀態(tài)類型對傳感器進行選取。傾角傳感器是用于計算金屬機械拉力的重要參量，若沒有傾角傳感器，系統(tǒng)將無法準確判定當下機械運行的環(huán)境，為了保證在規(guī)定的范圍內，產(chǎn)生最大的金屬機械拉力，不僅會增加電能的消耗，同時還會加速控制系統(tǒng)的磨損速度，降低控制系統(tǒng)的使用壽命。但通過傾角傳感器獲取到相應的數(shù)據(jù)信息，只需要控制系統(tǒng)給金屬機械一個大于制動的拉力值即可。不僅不需要達到金屬機械的極限拉力，同時還可以有效提高控制系統(tǒng)的效率。

1.2 控制器設計

金屬機械的電子控制系統(tǒng)其核心為嵌入式系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)是指向被控對象，嵌入到實際應用的系統(tǒng)當中，從而實現(xiàn)嵌入式應用的計算機系統(tǒng)。

電子控制系統(tǒng)的核心為，在網(wǎng)絡技術的協(xié)同下，控制金屬機械運行的電子控制系統(tǒng)。處理器的CPU內核選用CIP-51核，其控制指令的周期按照時鐘周期為準，指令集中度約為60%的指令在一到兩個時鐘周期內完成。工作環(huán)境周圍的溫度在零下30℃到零上120℃之間，工作電壓為1.6V～5.5V，內置數(shù)據(jù)存儲器為4352字節(jié)，可以支持輸入為8V的模擬信號，以及6個32位通用定時器。

2 金屬機械中的電子控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境的選擇

對于電子控制系統(tǒng)，其軟件的運行環(huán)境選擇在電子控制單元以及微控制單元中。電子控制單元選用MCS-51指令集的單片機系統(tǒng)，為了提升本文設計的控制系統(tǒng)的工作效率，因此選用集成開發(fā)環(huán)境，匯編器以及連接器內部的核心工具選用Keil C51工具，從而降低系統(tǒng)程序編寫的復雜程度。

2.2 通訊設計

控制器域網(wǎng)通信總線選用廣播的方式進行傳輸，利用標識符進行區(qū)分，設定標識符越小，優(yōu)先級越高的原則，能夠有效對報文進行濾波，利用循環(huán)冗余校驗的方法進行系統(tǒng)的錯誤檢驗[2]?？刂破饔蚓W(wǎng)報文可分為遠程幀、數(shù)據(jù)幀以及出錯幀，根據(jù)實際情況中不同的需要，選擇不同類型的報文?？刂破饔蚓W(wǎng)通信包括標識符定義、波特率設定、數(shù)據(jù)的打包和解包。這一部分必須與金屬機械整體中的其它通訊模塊相互對應，才能實現(xiàn)控制系統(tǒng)的通訊功能。

在對控制系統(tǒng)進行調試的過程中，為了更加直觀的獲取到金屬機械的內部狀態(tài)信息，在控制系統(tǒng)中增設了兩組數(shù)據(jù)幀，用于發(fā)送控制系統(tǒng)內部狀態(tài)信息。

內部狀態(tài)信息最終會發(fā)送到連接在金屬機械設備上行的監(jiān)視調節(jié)設備上，從而判斷控制系統(tǒng)是否能夠正確捕獲金屬機械信息，是否按照控制系統(tǒng)的相關控制指令做出準確的指令動作。

2.3 數(shù)字濾波設計

由于金屬機械的工作環(huán)境十分惡劣，因此對于信號進行濾波處理是十分有必要的，通過濾波處理可以有效減少外界環(huán)境對控制系統(tǒng)的影響。

因此，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性運行，在軟件設計當中增加對數(shù)字濾波的設計。濾波處理主要可分為兩部分，一是對按鈕檢測進行濾波處理：為了防止由于操作失誤造成的抖動而被控制系統(tǒng)認為是多次操作的問題發(fā)生，在系統(tǒng)中設置去抖動濾波程序。以3ms為一個時間間隔，若進行連續(xù)采樣的過程中有30個使能電平，則認為該操作為正常按鍵操作；若在30次內，有任意一次采樣為非使能電平，則認為該操作為非正常按鍵操作，放棄本次查詢結果，重新進入初始化查詢程序，進行再次查詢。二是模擬信號的采樣濾波處理：控制系統(tǒng)中的模擬信號包括拉力傳感器信號以及傾角信號。由于兩種信號類型的應用環(huán)境不同，因此受到的影響也是不同的。拉力傳感器信號位于控制系統(tǒng)的內部，因此受到的影響相對較小，可以選用數(shù)學算法中的算數(shù)平均值的方式對其進行濾波處理。而傾角信號相對復雜，因此選用一種新興的數(shù)字濾波的方式，對其進行濾波處理。這種方法不僅可以提高傳統(tǒng)濾波的精確度，同時還可以在系統(tǒng)的程序中對濾波閾值進行隨意的修改，克服傳統(tǒng)濾波器的缺點。

3 仿真測試

為了驗證本文設計的電子控制系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行仿真對比實驗。利用虛擬平臺構建兩個完全相同的金屬機械，并用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)分別對金屬機械進行控制，分別發(fā)出5組完全相同的指令信息，比較兩個金屬機械完成該指令的時間，并記錄在表1實驗結果中。

表1 實驗結果

通過仿真測試及實驗結果可以看出，本文控制系統(tǒng)在對金屬機械的相應動作指令進行控制過程中，完成相應控制指令所消耗的時間明顯比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)短，滿足電子控制系統(tǒng)的設計要求，因此更具有實際的應用價值。

4 結語

通過本文對電子控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，可以有效提高金屬機械的工作效率。但對于控制系統(tǒng)中的硬件可靠性以及使用壽命還有待進行進一步的檢測，目前階段僅對控制系統(tǒng)的功能進行測試研究，后續(xù)還將對系統(tǒng)中的各元件進行測試才能驗證控制系統(tǒng)是否可以進行批量的生產(chǎn)和制造。