一种用于消减残余应力的单片机控制系统的研究

张国顺，高 顶，蒋 萍，王村伟，许林敏

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

（中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116）

0 引言

消减工件残余应力传统的方法是自然时效（NSR——Natural Stress Relief）和热时效（TSR——Thermal Stress Relief），而振动用于消减应力是目前常用的方法，有振动时效（VSR——Vibratory Stress Relief）。如果振动用于焊接过程中，即振动焊接（VWC——Vibratory Weld Condition）[1]。它们是在亚共振的条件下，通过施加振动外力和残余应力相互作用，使材料组织发生塑性变形，从而其形状和尺寸稳定。与传统方法相比，这种消减应力的方法由于节能环保、效率高、工艺简单等特点，近年来在多个领域得到越来越广泛的应用。这种振动装置示意图如图1所示。通过对电动机的转速控制来控制振动的频率，和通过对电动机轴上偏心装置的调节来控制振幅。

AT89S51单片机控制系统通过变频控制来控制电动机的转速，从而控制振动频率。理论依据：根据异步电动机的转速n与频率f的关系n=60*f*（1-s）/p可知，当转差率s和极对数p一定时，转速n与频率f成正比。所以通过对工作电源频率的改变来调节电动机的转速[2]。与此同时，通过应力传感器实时检测振动过程中被测工件残余应力的变化情况，并显示其大小。这样就避免了手动测量的工作量和检测人员带来的人为误差。

1 单片机控制系统的总体结构

本控制系统大致由三个部分组成：主电路、逆变电源控制及信号采集处理电路和单片机最小系统及键盘显示电路。总体结构图如图2所示。

主电路部分主要实现AC-DC-AC的变换，包括电源、整流电路、逆变电路和滤波电路等。

逆变电源控制及信号采集处理电路，其中的逆变电源控制单元，主要完成对逆变电路的检测、控制和保护等功能，使系统智能化；信号采集处理单元主要通过对工作电源信号的采集、处理和反馈，以改善主电路对负载的输出；通过传感器对残余应力采集、变换和处理，得到实时的残余应力数据并显示。这部分主要包括SA4828芯片[3]、隔离放大驱动电路、应力传感器、电压频率变换电路、采样电路、多路开关电路、A/D转换电路等。

图1 振动装置示意图

单片机最小系统及键盘显示电路，单片机最小系统实现基本功能，显示器和键盘实现输入输出功能，单片机最小系统包括5V电源电路、掉电保护电路、晶振电路和上电复位电路等。

图2 控制系统总体结构图

基本工作原理：主电路中三相交流电源经过整流和滤波后，再经过逆变电路，同时以AT89S51单片机和SA4828芯片为核心的控制电路产生PWM信号，经过隔离、放大并驱动逆变电路，完成SPWM波的产生。为了使产生SPWM电压波形稳定，通过电流电压变换电路，并进行A/D转换，采用闭环PI反馈调节。同时，通过传感器采集残余应力信号，经过A/D转换后进行实时跟踪和显示。其中，通过多路开关电路，在单片机系统的分时控制下进行采样。

2 系统硬件部分

2.1 主电路

主电路主要由AC/DC整流滤波、DC/AC三个独立的单相桥式逆变器和输出滤波三大部分组成。原理框图如图3所示[4]。

图3 主电路原理框图

输入三相380V、50Hz交流电，经过EMI（Eelctro-Magnetic Interference）抑制、整流和滤波后得到直流电，供给三个独立的单相逆变器，即逆变器A、逆变器B和逆变器C。逆变器的核心部分采用EXB850集成芯片，这是一种专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。三个逆变器在控制电路相位互差120度的驱动信号作用下，输出SPWM电压波形。

2.2 逆变电源控制及信号采集处理电路

逆变电源控制单元部分的核心是SA4828芯片，在单片机控制下，接收来自处理器的指令和数据，以实现对逆变电路的检测、控制和保护等功能，使系统智能化。SA4828是一种通用可编程的微机外围芯片，实现全数字化操作。它可对每一相独立进行控制；对频率的控制精度达16位，工作频率范围可达4kHz；对产生的谐波有很好的抑制作用；有内置“看门狗”定时器以提高可靠性。对输出电压和频率的变换和取样，进行A/D转换，经过单片机的协调控制，对SA4828所产生的电压和频率控制信号形成闭环反馈，使工作输出电压和频率更加稳定。

图4 信号采集处理电路原理框图

信号采集处理电路大致可分两部分，一部分是逆变电路中的反馈所需的电压和频率信号，另一部分是应力传感器采集的信号。这三路信号经过放大滤波等处理后，进入多路选择开关电路，在单片机系统分时控制下，选择其中的某一路信号，经过采样保持后，再进行A/D转换。为了提高转换后的精度，可选用12位的数模转换器。原理框图如图4所示。

2.3 单片机最小系统及键盘显示电路

单片机最小系统实现基本功能，5V电源电路提供控制系统所需的电源；晶振电路产生单片机所需的时钟频率，时钟频率越高，单片机运行速度就越快；上电复位电路用于单片机系统开机或运行中发生错误后的初始化；掉电保护电路是指断电后，及时贮存重要数据。显示器和键盘实现输入输出功能，通过用于单片机的VGA接口卡直接驱动LCD显示器；单片机通过专用接口电路与标准PC键盘相连。另外，还有3-8译码电路和RAM存贮电路等。原理框图如图5所示。

图5 单片机最小系统原理框图

3 系统软件部分

软件部分是单片机系统的非常重要的组成部分，它决定逆变电源的输出特性，如电压和频率范围及稳定度、对谐波分量的抑制、系统的动态响应速度、保护功能和工作可靠性等。程序采用模块化编程，组成模块有：单片机系统模块、SA4828控制模块、PI模块和输入输出模块。其中，PI调节采用分散式，使闭环控制更稳定[5]，从而提高逆变器输出电压频率的稳定度、精度和动态响应速度。程序采用汇编语言形式，这样可以提高程序的执行效率和节省内存空间。主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

4 结束语

控制系统的输出频率范围为0-400Hz。通过改变输出频率来改变电机的转速，从而调节振动频率。同时，动态显示残余应力的变化情况。通过对焊接件的试验和残余应力分析验证，达到预期效果。

[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.电工学[M].高等教育出版社,2004.

[3]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南[M].机械工业出版社,2001.

[4]周志敏,周纪海,纪爱华.逆变电源实用技术[M].中国电力出版社,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.