基于MC9S12XS单片机的智能电磁吸盘控制器

　　兴旺宝五金网整理：平面磨床的加工合金材料及热处理过的材料残磁很大，影响工件的加工精度和工作效率，使磨床的加工范围受到限制，不能满足现代机械制造业的要求。目前国内机床行业电磁吸盘装置充退磁采用变压整流后通过开关手控进行充退磁，不仅操作繁琐，费力费时，而且充退磁的性能一直存在不完善之处，表现在工件不同班次、不同批次不匀、不同机台之间吸盘负载不均匀、重量偏差较大、质量不稳定等问题。
　　
　　电磁吸盘控制器是针对平面磨床充退磁系统出现的诸多问题及加工需要而设计的。该产品采用新型集成电路控制，直接与磨床电磁吸盘连接，以完成对吸盘的充退磁控制。它具有充磁强度可调、退磁时间短，效果好、体积小、安装调试方便等特点。对各种软、硬磁材料退磁均能获得满意的效果，避免了电磁吸盘和工件的拉伤、变形。
　　
　　2智能充退磁吸盘设计
　　
　　智能充退磁控制器主要由核心控制单元、变压装置、系统工作模式设置模块、工作电流检测系统、光电隔离开关、过流保护装置等部分组成。为了减少充电瞬间对电网的冲击，提高控制的度，实现充磁电压的连续可调，系统设计采用恒流充电技术，使电容电压线性上升，充电电流为10a，zui大充磁电压为110v，脉冲峰值电流达3ka，磁场强度为0-0.7t。退磁时间为5～13秒。采用数码管对实时电流值进行显示，有较友好的人机界面。
　　
　　2.1系统的工作原理
　　
　　系统的充退磁由以闭环系统控制，控制器选用模糊—pid控制算法，首先由用户通过键盘设置需要的充退磁参数，控制器取设置值与电流检测系统的检测值之差e（t），当输入的偏差e（t）>0.5时，pid模块起作用，e（t）≤0.5时，模糊控制模块起作用。控制器的输出作用于光电隔离开关上，将控制电路与主电路进行光电隔离，控制主电路吸盘的操作。电流检测系统检测吸盘的工作电流，再将值返回到控制器，从而实现闭环控制，增强了系统的鲁棒性，提高了控制精度。系统的工作原理框图如图1所示。
　　2.2吸盘充退磁原理
　　
　　吸盘的充磁强度是根据交流电源的触发脉冲进行调节的，首先根据交流电源的同步信号，在软件中设置合适的触法时刻，来控制交流电源的导通，再用整流桥将交流电转化成直流电输送给吸盘，因此，可以测吸盘输入直流电压的大小来初步估计吸盘充磁的强度。
　　
　　吸盘的退磁是根据直流退磁方法来退磁的，根据用户在键盘上设置的退磁时间和电流检测系统返回的电流值，控制器向吸盘输入时间间隔变化的正反向直流电并接上退磁电阻来消耗剩磁的能量，当检测的剩磁量达到用户所设置的精度后，停止退磁。这种方法退磁既能使工件基本无剩磁，又能减少电能的消耗，具有较高的经济性。
　　
　　3系统解决方案
　　
　　智能充退磁控制器包括两个部分：硬件部分和软件部分[1]。硬件部分决定系统的运算能力及可扩充功能，软件部分包括所移植的系统及应用程序，用于控制整个系统的动作流，掌控所有的硬件模式。系统中建立一种基于mc9s12xs单片机的开放性、模块化和可扩展性的系统结构和多线程/多任务开发环境，以实现充退磁系统的实时闭环检测控制。
　　
　　控制器选用飞思卡尔公司生产的mc9s12xs128单片机作为核心。该mcu对16位微控制器是兼容的，为用户提供了一个简单的方法来开发从低端到应用的共同平台，zui大限度的减少软件和硬件设计。它具有一个8通道24位定时器，8通道16位定时器，8通道pwm，高达16通道的12位转换器，总线的频率可达40mhz[2]。采用bdm调试器作为背景调试模式，可以实现在线调试，使用起来更方便可靠。12位的ad转换精度和快速转换速度能够满足系统的需要。
　　
　　智能吸盘控制器的硬件部分是一个典型的弱电控制强电的系统，为防止强电磁干扰导致微处理器控制系统出现异常，并保护后级设备，采用模块化设计，对所有强电有关的控制信号采取光电隔离措施。处于对安全性的考虑，硬件共有两块pcb板，强电部分安装在下面，弱电部分放在上面，强电部分主要由电源模块、电流检测模块、过流保护模块、储能模块等部分组成，弱电部分主要由*控制模块、显示模块、键盘模块、移相控制模块等组成。硬件结构如图2所示。　　
　　4系统实现
　　
　　4.1键盘人机模块
　　
　　键盘人机模块主要由三个按键组成，分别为play、up、down键。通过对三个键的合理配合设置，可以选择吸盘的充磁方式，将充磁强度分成10级供用户选择，设置退磁时间，并可以规定电流的上下限，使系统安全运行。*控制模块采集键盘输入的信息，然后将数据发送给显示模块，显示所设置的情况。
　　
　　4.2电流检测模块
　　
　　由于放电脉冲峰值电流达数千安培，为提高测量的安全性及可靠性，采用非接触式测量方法。同时考虑到大电流传感器的经济因素，进一步采用分流测量，设计选用平衡式电流传感器，测量工作电流。通过将电流信号转为电压输出，然后*控制模块采集此信号。
　　
　　4.3脉冲触发模块
　　
　　脉冲触发模块是实现恒流控制的关键部分，由移相电路、触发电路、同步电路等组成、设计采用移相触发器与同步器件tlp521-2配合使用，以较低的成本、可靠的空间实现高可靠性、高精度与电网*隔离的自控系统的设计要求。移相触发器根据控制端电压大小在输出端产生与电网电压同步的双倍电网频率的180o到0o范围内移相的宽脉冲，驱动三端双向交流开关，达到移相的目的。三端双向交流开关不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路。触发控制部分和主电路部分用光电耦合器4n25进行隔离，该器件1号脚接一个上拉电阻，当2端信号输入低电平时，控制开关导通，给整流器件供电，吸盘工作。脉冲触发原理如图3所示。　　
　　4.4系统软件设计
　　
　　系统软件是整个系统的灵魂，其设计好坏直接影响到系统的稳定性和可扩展性等性能[3]智能控制器以freescalecodewarrior为编程环境。程序对控制器的数据存储器进行了统一的管理和分配。控制器用模糊pid控制，不用掌握受控对象的数学模型，而根据控制规则组织决策表，由该表决定控制量的大小，将模糊控制器与传统的pid控制相结合，即具有模糊控制器的灵活适应性强的优点，又具有pid控制精度高的特点。软件实行模块化设计，采用统一的调度算法。将那些需要实时处理的模块放在中断函数中，进程管理部分放在主函数中，并根据实际情况设置中断函数优先级，使系统井然有序。
　　
　　5结束语
　　
　　该智能充退磁装置建立了以mc9s12xs单片机为核心控制器的硬件平台，freescalecodewarrior编程环境，采用弱电控制强电，直流控制交流的方式实现了充退磁过程的恒流闭环控制，控制精度可调，zui小误差在百分之一以内。系统良好的智能化水平，可视化的人机界面，在提高充退磁质量的同时，同时促进了智能控制领域的发展。
　　
　　作者简介
　　
　　杨才俊（1988-）男工程师，从事工业自动化系统研发工程。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]刘利兵，金仁成，赵开春，等．一种基于arm的仿生偏振光测试系统的研究[j]．传感技术学报，2006，19（5）；1788~1791．
　　
　　[2]薛涛，宫辉，曾鸣，等．单片机与嵌入式系统开发方法[m]．北京：清华大学出版社，2009．
　　
　　[3]武国强，吕柏权．基于嵌入式linux的便携式frid信息采集与处理系统[j]．电子技术应用，2006（10）：61~64．