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基于单片机的振动磨机控制系统设计.pdf
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1、第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023作者简介:丁艳玲(1978),女,吉林榆树人,副教授,硕士研究生;研究方向:电气自动化技术。基于单片机的振动磨机控制系统设计丁艳玲,吴 杰(南京机电职业技术学院,江苏 南京 211135)摘要:在工业生产应用中,非线性振动磨机运行中有确定激励不确定响应的混沌振动特点。文章以AVR 单片机为主控核心,使用外围模拟量输入/输出扩展模块控制器,结合 VB 软件设计上位机数据采集控制数据终端,实现对振动磨机超高振强提前减幅、振幅超限急停控制功能;在程序设计中增加振强
2、及振幅反馈环节,与上位机和变频器相结合形成闭环控制,实现振动状态的实时监控。系统进一步提高了振动磨机的能源利用效率,改善了振动磨机的使用性能,提高了生产现场工作效率。关键词:AVR 单片机控制器;超前控制;实时监控中图分类号:TP332 文献标志码:A0 引言 超硬材料的微纳粉体具有超硬材料和微纳颗粒的双重特性,在开发特殊性能的新材料时,具有相当大的潜力。在航空航天、飞机制造、精密机械、光学仪器、汽车制造、信息技术、化学塑料等领域都有着广阔的应用前景。高振强振动磨技术是一种在振动强度较高条件下的振动磨技术1。目前,应用高振强振动磨技术制作超硬材料的超微粉体,其目的是解决超硬粉体在超微粉碎过程中
3、颗粒不易细化、容易团聚等弊端,进而实现超硬粉体的微纳化。1 单片机智能变频应用 AVR atmega16 L-8PU 是由 ATMEL 公司生产的单片微处理器,属于增强的 AVR RISC 结构的低功耗8 位 CMOS 微控制器,具有先进的指令集以及单时钟指令周期执行时间,ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,可以减缓系统功耗和处理速度之间的矛盾。其片上硬件资源非常丰富,运算速度在相同晶振下是常规 51 微处理器的 8 倍,且价格与同类产品相当,一经推出,备受关注,在控制领域得到广泛的应用。控制磨机的 3 个状态分别是启动状态、正常运行状态和紧急情况调控状态,每一个状态各有特
4、点。磨机在启动时,过渡状态很重要,一方面可以保证磨机振动时振动强度、振幅、噪声较小,另一方面能够保证磨机寿命不会因为常启动而减少。所以其过渡时间要有所保证,但是启动时间也不能过长,否则会降低磨机的工作效率。1.1 控制核心 AVR atmega16 L-8PU Atmega16 的片上硬件资源丰富,具有 16 k 字节的闪存可编程标准系统,512 字节的 EEPROM,1 k 字节的 SRAM,32 个通用输入输出接口和 32 个通用工作区。配有 1 个 JTAG 接口,支持片内调试和编程,具有异步 UART,8 路 10 位可选差分输入位 ADC,片内集成 SPI 协议与 IIC 协议2。多
5、种功能为一体,可以利用 ICC AVR 软件进行编译与实时调试,原理如图 1所示。AD574A 内部结构引脚功能如图 2 所示,当输出接高电平时,输出数据是 12 位字长;当输出接低电平时,将转换输出的数变成两个 8 位字输出。1.2 系统总体设计 物料经过破碎机械破碎后的物料粒度集中在 820 mm,为达到生产工艺需要的细度要求,破碎后的物料还需经过粉磨机械磨细。粉磨是现代工业生产中的一个重要环节。振动磨机主要由圆柱形筒体、端盖、上下质体、非线性弹簧减振弹簧和振动电机等部分组成,筒体内可以装入直径为 25150 mm 的钢球或钢棒,简称为磨介,磨 介 装 入 量 为 整 个 筒 体 有 较
6、容 积 的 25%50%3。筒体两端配有端盖,端盖使用螺钉与筒体端部法兰相连接,端盖的中部有孔,称为中空轴颈。筒体固定在上质体上,上下质体通过非线性弹簧连接,用振动电机运转产生激振力对齐进行驱动。当磨机工作时,磨介和物料在激振力的作用下在筒内进行碰撞运动,其中一部分钢球在筒体内对物料有研磨作用,以上即是物料的粉碎过程。系统结构组成包括 AVR 单片机控制器、四方电气 C300 变频器、北戴河 YD64 型压电加速度传感器配 CA-3 积分电荷放大器和振动磨机。设计采用CA-3 型积分电荷放大器与 YD64 压电加速度计协同工作,实现对磨机实际变频的振强和振幅在线实时检测、数据采集和速度预控制,
7、设计系统结构如图 3所示。93第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023图 1 Atmega16L 原理图 2 AD574A 内部结构图 3 系统结构 本文设计使用四方电气 C300-4T0007 变频器,其额定容量 1.5 kVA,额定输出电流 2.3 A,是一种无感电流矢量型小功率变频器,模拟输入电压为 0 10 V,可以适配电机功率 0.75 kW4。该变频器接口使用控制端 RST、FWD、GND、VC等接口,系统主回路端用到 R、S、T、U、V、W 等接口5。其中 RST 端口接故障紧急复位端口,FWD 接大地,表示正转控制,GND 接地
8、线,VC 端接 PLC 硬件05 V 频率设定端口,R、S、T 分别接三相电源,U、V、W 接磨机。变频器实物连接情况如图 4 所示。图 4 变频器硬件连接2 系统软件设计 结合硬件控制原理,进行系统的硬件及其软件设04第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023计。磨机正常工作状态下,一个周期为 6 个正弦波,各个正弦波都以 50 Hz 为基轴,时间及频率跨度都不相同。生产中考虑实际情况,在极短时间内不能将变频器频率直接增加到 50 Hz,因此输出从 0 Hz 增至50 Hz。在现场控制过程中,为保证现场工作人员和设备的安全,必须增加振幅超限急停
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