基于S3C4480的μC／GUI操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌入式智能電鐓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

氣門(mén)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，是控制氣缸吸入混合氣或排出廢氣的閥門(mén)，形狀呈菌形、平項(xiàng)，頭部外緣做成圓錐面與氣門(mén)座相配合。氣門(mén)質(zhì)量的好壞直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和油耗。隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)氣門(mén)品種和數(shù)量的需求愈來(lái)愈多，同時(shí)對(duì)質(zhì)量要求也越來(lái)越高。

目前氣門(mén)的生產(chǎn)毛坯成型工藝主要有兩種：擠壓成型法和電熱鐓粗法。對(duì)比擠壓成型法，電熱鐓粗法投資少，節(jié)能高效，是國(guó)內(nèi)氣門(mén)毛坯的主要生產(chǎn)方式，如圖1所示為氣門(mén)棒料、氣門(mén)鐓件和氣門(mén)半成品。電熱鐓粗工藝是利用工件本身的電阻，在通以低電壓大電流同時(shí)對(duì)其施加外力，當(dāng)工件被加熱到塑性變形溫度時(shí)逐漸被鐓粗的過(guò)程。

2、嵌入式智能電鐓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2．1 電鐓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電鐓機(jī)控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)電熱鐓粗工作過(guò)程中電流、壓力和上下料的控制。嵌入式智能電鐓機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要采用以ARM7微處理器為核心的硬件平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制器根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)，通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)D／A控制鐓粗頂鍛壓力、鐓粗電流、砧子回退的速度。位移和溫度等參數(shù)由傳感器讀取，經(jīng)過(guò)比較計(jì)算之后再經(jīng)總線輸出，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。自動(dòng)上下料機(jī)械手的控制使用光電隔離分隔電磁閥與核心板電信號(hào)，提高抗干擾能力；鐓粗過(guò)程中的狀態(tài)和參數(shù)分別通過(guò)信號(hào)指示燈和LCD屏監(jiān)控顯示；同時(shí)LCD觸摸屏還具有參數(shù)輸入和調(diào)試控制功能。

2．2 電鐓系統(tǒng)控制流程

電鐓工藝是根據(jù)朔性力學(xué)和傳熱學(xué)原理，利用工件本身的電阻，通過(guò)控制加載在工件上的電流和壓力，使工件通電發(fā)熱，當(dāng)工件被加熱到塑性變形溫度時(shí)逐漸被鐓粗成型。在嵌入式智能電鐓機(jī)上，還設(shè)計(jì)有自動(dòng)上下料機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)電鐓過(guò)程的連續(xù)自動(dòng)生產(chǎn)。設(shè)計(jì)中，將電鐓控制過(guò)程分為：上料，預(yù)熱，上料復(fù)位，熱鐓，上料準(zhǔn)備，熱鐓結(jié)束，熱鐓復(fù)位，下料等過(guò)程。

在這些過(guò)程中，動(dòng)作之間的協(xié)調(diào)配合不但可以提高生產(chǎn)效率，而且還可以提高加工質(zhì)量。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以大大優(yōu)化工作過(guò)程中各動(dòng)作的協(xié)調(diào)配合。μC／OS-II是一種可剝奪內(nèi)核的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有良好的實(shí)時(shí)性能和多任務(wù)功能，結(jié)構(gòu)小巧、執(zhí)行效率高、占用空間小。在μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)上，將控制流程中的一些加工步驟并行觸發(fā)，使加工流程更加緊湊高效，有助于提高電鐓生產(chǎn)效率。

2．3 核心控制電路

核心控制電路是嵌入式硬件的最小系統(tǒng)，存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及提供硬件運(yùn)行平臺(tái)。在核心控制系統(tǒng)中主要是采用ARM微處理器作為主控制器，電鐓機(jī)的控制軟件和工藝參數(shù)文件保存在2MB的NorFlash中，控制程序在8MB的SDRAM中執(zhí)行。RS232通信接口用于PC機(jī)下載程序和反饋硬件平臺(tái)的調(diào)試信息。JTAG是微處理器配置的調(diào)試接口，可以使用仿真器通過(guò)JTAG接口對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行仿真調(diào)試；同時(shí)，JTAG接口還可以實(shí)現(xiàn)Nor Flash程序固化功能。微處理器芯片已經(jīng)提供了LCD控制器，因此不需要外接控制器，使用方便。數(shù)據(jù)總線輸出壓力、速度、電壓等數(shù)據(jù)信號(hào)量，要經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器保證數(shù)據(jù)的傳輸無(wú)誤。AD輸入經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接輸入到處理器上。

2．4 基于μC／OS—II的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式智能電鐓控制系統(tǒng)在ARM7內(nèi)核的S3C4480微處理器上移植了μC／OS-II，并開(kāi)發(fā)了電鐓控制系統(tǒng)應(yīng)用程序。整個(gè)控制系統(tǒng)分為6個(gè)任務(wù)：上料，下料，鐓粗缸，砧子缸，變壓器，人機(jī)界面。各任務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低如下分配：砧子缸8，鐓粗缸12，變壓器14，上料16，下料20，人機(jī)界面24。任務(wù)間通過(guò)預(yù)先創(chuàng)建的信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)切換。為了保證控制位移的實(shí)時(shí)采集，位移傳感器信號(hào)以中斷方式輸入。

人機(jī)界面在移植到S3C4480的μC／GUI基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)。由于S3C4480有LCD控制器，所以在移植μC／GUI時(shí)，只需要移植μC／GUI驅(qū)動(dòng)層9個(gè)函數(shù)。

LCD_L0_Init（）； 初始化顯示屏并清屏；

LCD_L0_Rinit（）； 重新初始化顯示屏，不清屏；

LCD_L0_Off（）； 關(guān)閉LCD；

LCD_L0_On（）； 開(kāi)啟LCD；

LCD_L0_DrawBitmap（）；畫(huà)位圖；

LCD_L0_DrawHLine（）；繪水平線；

LCD_L0_DrawVLine（）；繪垂直線；

LCD_L0_FillRect（）； 矩形填充框：

LCD_L0_XorPixel； 反轉(zhuǎn)一個(gè)像素點(diǎn)：

移植完成以后，就可以直接在μC／GUI應(yīng)用層上設(shè)計(jì)人機(jī)界面。通過(guò)其提供的窗口管理控件，為電鐓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、調(diào)試界面等窗口。在各窗口下，根據(jù)功能設(shè)置的不同，分別創(chuàng)建了l～4個(gè)子窗口。重繪函數(shù)通過(guò)LCD觸摸屏或者時(shí)鐘信號(hào)激活，發(fā)送信號(hào)量后，由系統(tǒng)調(diào)度刷新LCD顯示屏。人機(jī)界面簡(jiǎn)單方便，操作設(shè)計(jì)人性化。

3、電鐓機(jī)控制特性分析

3．1 電鐓常見(jiàn)缺陷

氣門(mén)毛坯成型過(guò)程中，由于各方面的參數(shù)影響，會(huì)出現(xiàn)不同類型的廢品，主要缺陷有：頭部有裂紋、頂部出現(xiàn)折疊、成型歪斜不均勻。

當(dāng)毛坯成形時(shí)棒料過(guò)熱、變形量大，在附加拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生軸向裂紋。折疊產(chǎn)生原因是始鐓溫度與終鐓溫度相差較大，金屬聚集結(jié)合不好，有明顯的分界線，形成臺(tái)階狀的折疊。而成型歪斜是由于砧子塊棒料接觸電阻相差懸殊，造成兩邊電流不均勻，棒料過(guò)多地流向溫度高的一側(cè)，引起歪斜。

從上面分析可見(jiàn)，常見(jiàn)缺陷成因主要可以歸結(jié)為：壓力不穩(wěn)定，電流不均勻，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有時(shí)滯性。

3．2 氣液結(jié)合驅(qū)動(dòng)

電鐓機(jī)振動(dòng)本身是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，無(wú)法獲得精確的數(shù)值解，為建立電鐓機(jī)的振動(dòng)力學(xué)模型，在此做如下假設(shè)：

（1）將電鐓機(jī)機(jī)身、工件、砧子缸看作剛性質(zhì)量塊；忽略電鐓機(jī)連接及驅(qū)動(dòng)部件之間的間隙對(duì)電鐓機(jī)振動(dòng)的影響。

（2）將電鐓機(jī)機(jī)身及鐓粗缸等效為線性彈簧。

（3）只考慮電鐓機(jī)縱向方向的振動(dòng)。

由工程振動(dòng)理論知：振動(dòng)系統(tǒng)受到激勵(lì)發(fā)生的振動(dòng)，是由有阻尼自由振動(dòng)與穩(wěn)態(tài)振動(dòng)組成的。如圖3所示為電鐓機(jī)等效彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，k為彈簧剛度，c為粘性阻尼系數(shù)，F(xiàn)為一階躍激勵(lì)，所謂階躍激勵(lì)就是受到常力F的突然作用，即F（t）=F。

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

阻尼比ξ的大小可以用來(lái)表示振幅衰減的快慢，阻尼比越大，振幅的衰減越快；阻尼比越小，則超調(diào)量越大。由于液壓缸彈簧剛度k值遠(yuǎn)大于氣缸k值，故液壓缸系統(tǒng)阻尼比小于氣缸系統(tǒng)阻尼比，可以判斷在同樣階躍激勵(lì)作用下，液壓系統(tǒng)振動(dòng)更厲害。

在嵌入式智能電鐓機(jī)上，選擇了氣液結(jié)合驅(qū)動(dòng)。氣液聯(lián)合驅(qū)動(dòng)是指以壓縮空氣為動(dòng)力源，通過(guò)氣液轉(zhuǎn)換元件將氣體動(dòng)力轉(zhuǎn)換成液體動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式。在本系統(tǒng)中，采用氣液聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)砧子塊，鐓粗缸采用直接氣體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。圖4是在鐓粗缸換向時(shí)，壓力傳感器測(cè)得的壓力振動(dòng)曲線示波器截圖。液壓驅(qū)動(dòng)式鐓粗缸振動(dòng)幅值比氣體驅(qū)動(dòng)大25倍，振蕩次數(shù)超過(guò)10次。實(shí)驗(yàn)證明，氣液結(jié)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性好。

4、模糊自整定PID控制策略

電鐓控制系統(tǒng)屬于非線性時(shí)滯系統(tǒng)，涉及溫度、壓力、電流等參數(shù)的控制。用常規(guī)的PID控制器，難以達(dá)到較好的效果。模糊PID是將模糊控制與經(jīng)典PID控制相結(jié)合的控制器，適用毛非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的系統(tǒng)。

模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。模糊控制設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是總結(jié)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)kD、ki、kd三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表。kp、ki、kd的模糊規(guī)則表建立后，再應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)帶入下式計(jì)算：

在線運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)在線自校正。

在電鐓控制系統(tǒng)中，分別有電流、壓力、速度三個(gè)控制參數(shù)；以壓力為例來(lái)說(shuō)明。在初始階段，由于棒料加熱溫度沒(méi)達(dá)到形變要求，形變較慢。在熱鐓階段，溫度已到達(dá)要求，形變較快。所以，可通過(guò)檢測(cè)溫度實(shí)時(shí)值，來(lái)控制壓力輸出。把經(jīng)驗(yàn)所得的溫度和壓力對(duì)應(yīng)表作為模糊集。溫度作為控制器的輸入量，經(jīng)過(guò)模糊矢量化后輸入給PID控制器，最終得到PID輸出量后，轉(zhuǎn)換位壓力控制量輸出給氣壓比例閥實(shí)現(xiàn)壓力控制。系統(tǒng)框圖如圖5所示。

5、結(jié)語(yǔ)

嵌入式智能電鐓機(jī)采用ARM7微處理器為核心的控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電鐓加工過(guò)程的自動(dòng)控制?；讦藽／OS-II操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制軟件，人機(jī)界面簡(jiǎn)單方便，操作人性化。選用模糊PID控制策略，克服了系統(tǒng)的非線性和時(shí)滯性問(wèn)題，魯棒性大大增強(qiáng)。本系統(tǒng)經(jīng)某汽配廠電鐓現(xiàn)場(chǎng)使用表明，提高了氣門(mén)生產(chǎn)自動(dòng)化程度，有助于提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益。

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