基于S3C4480的μC／GUI *** 作系统实现嵌入式智能电镦控制系统的设计

1、引言

气门是汽车发动机的重要零部件，是控制气缸吸入混合气或排出废气的阀门，形状呈菌形、平项，头部外缘做成圆锥面与气门座相配合。气门质量的好坏直接影响着发动机的动力和油耗。随着汽车行业的迅速发展，对气门品种和数量的需求愈来愈多，同时对质量要求也越来越高。

目前气门的生产毛坯成型工艺主要有两种：挤压成型法和电热镦粗法。对比挤压成型法，电热镦粗法投资少，节能高效，是国内气门毛坯的主要生产方式，如图1所示为气门棒料、气门镦件和气门半成品。电热镦粗工艺是利用工件本身的电阻，在通以低电压大电流同时对其施加外力，当工件被加热到塑性变形温度时逐渐被镦粗的过程。

2、嵌入式智能电镦控制系统的设计

2．1 电镦控制系统结构

电镦机控制系统主要是实现电热镦粗工作过程中电流、压力和上下料的控制。嵌入式智能电镦机控制系统的硬件设计主要采用以ARM7微处理器为核心的硬件平台，系统结构如图2所示。

控制器根据预设参数，通过总线驱动D／A控制镦粗顶锻压力、镦粗电流、砧子回退的速度。位移和温度等参数由传感器读取，经过比较计算之后再经总线输出，实现闭环控制。自动上下料机械手的控制使用光电隔离分隔电磁阀与核心板电信号，提高抗干扰能力；镦粗过程中的状态和参数分别通过信号指示灯和LCD屏监控显示；同时LCD触摸屏还具有参数输入和调试控制功能。

2．2 电镦系统控制流程

电镦工艺是根据朔性力学和传热学原理，利用工件本身的电阻，通过控制加载在工件上的电流和压力，使工件通电发热，当工件被加热到塑性变形温度时逐渐被镦粗成型。在嵌入式智能电镦机上，还设计有自动上下料机械手，实现电镦过程的连续自动生产。设计中，将电镦控制过程分为：上料，预热，上料复位，热镦，上料准备，热镦结束，热镦复位，下料等过程。

在这些过程中，动作之间的协调配合不但可以提高生产效率，而且还可以提高加工质量。采用嵌入式实时 *** 作系统，可以大大优化工作过程中各动作的协调配合。μC／OS-II是一种可剥夺内核的实时多任务 *** 作系统，具有良好的实时性能和多任务功能，结构小巧、执行效率高、占用空间小。在μC／OS-Ⅱ *** 作系统上，将控制流程中的一些加工步骤并行触发，使加工流程更加紧凑高效，有助于提高电镦生产效率。

2．3 核心控制电路

核心控制电路是嵌入式硬件的最小系统，存储 *** 作系统、应用软件及提供硬件运行平台。在核心控制系统中主要是采用ARM微处理器作为主控制器，电镦机的控制软件和工艺参数文件保存在2MB的NorFlash中，控制程序在8MB的SDRAM中执行。RS232通信接口用于PC机下载程序和反馈硬件平台的调试信息。JTAG是微处理器配置的调试接口，可以使用仿真器通过JTAG接口对硬件平台进行仿真调试；同时，JTAG接口还可以实现Nor Flash程序固化功能。微处理器芯片已经提供了LCD控制器，因此不需要外接控制器，使用方便。数据总线输出压力、速度、电压等数据信号量，要经过总线驱动器保证数据的传输无误。AD输入经电平转换后直接输入到处理器上。

2．4 基于μC／OS—II的控制系统设计

嵌入式智能电镦控制系统在ARM7内核的S3C4480微处理器上移植了μC／OS-II，并开发了电镦控制系统应用程序。整个控制系统分为6个任务：上料，下料，镦粗缸，砧子缸，变压器，人机界面。各任务优先级从高到低如下分配：砧子缸8，镦粗缸12，变压器14，上料16，下料20，人机界面24。任务间通过预先创建的信号量进行任务切换。为了保证控制位移的实时采集，位移传感器信号以中断方式输入。

人机界面在移植到S3C4480的μC／GUI基础上设计。由于S3C4480有LCD控制器，所以在移植μC／GUI时，只需要移植μC／GUI驱动层9个函数。

LCD_L0_Init（）； 初始化显示屏并清屏；

LCD_L0_Rinit（）； 重新初始化显示屏，不清屏；

LCD_L0_Off（）； 关闭LCD；

LCD_L0_On（）； 开启LCD；

LCD_L0_DrawBitmap（）；画位图；

LCD_L0_DrawHLine（）；绘水平线；

LCD_L0_DrawVLine（）；绘垂直线；

LCD_L0_FillRect（）； 矩形填充框：

LCD_L0_XorPixel； 反转一个像素点：

移植完成以后，就可以直接在μC／GUI应用层上设计人机界面。通过其提供的窗口管理控件，为电镦控制系统设计了主界面、参数设置界面、调试界面等窗口。在各窗口下，根据功能设置的不同，分别创建了l～4个子窗口。重绘函数通过LCD触摸屏或者时钟信号激活，发送信号量后，由系统调度刷新LCD显示屏。人机界面简单方便， *** 作设计人性化。

3、电镦机控制特性分析

3．1 电镦常见缺陷

气门毛坯成型过程中，由于各方面的参数影响，会出现不同类型的废品，主要缺陷有：头部有裂纹、顶部出现折叠、成型歪斜不均匀。

当毛坯成形时棒料过热、变形量大，在附加拉应力的作用下产生轴向裂纹。折叠产生原因是始镦温度与终镦温度相差较大，金属聚集结合不好，有明显的分界线，形成台阶状的折叠。而成型歪斜是由于砧子块棒料接触电阻相差悬殊，造成两边电流不均匀，棒料过多地流向温度高的一侧，引起歪斜。

从上面分析可见，常见缺陷成因主要可以归结为：压力不稳定，电流不均匀，驱动系统有时滞性。

3．2 气液结合驱动

电镦机振动本身是复杂的非线性系统，无法获得精确的数值解，为建立电镦机的振动力学模型，在此做如下假设：

（1）将电镦机机身、工件、砧子缸看作刚性质量块；忽略电镦机连接及驱动部件之间的间隙对电镦机振动的影响。

（2）将电镦机机身及镦粗缸等效为线性d簧。

（3）只考虑电镦机纵向方向的振动。

由工程振动理论知：振动系统受到激励发生的振动，是由有阻尼自由振动与稳态振动组成的。如图3所示为电镦机等效d簧一质量系统简图，k为d簧刚度，c为粘性阻尼系数，F为一阶跃激励，所谓阶跃激励就是受到常力F的突然作用，即F（t）=F。

系统的运动微分方程为：

阻尼比ξ的大小可以用来表示振幅衰减的快慢，阻尼比越大，振幅的衰减越快；阻尼比越小，则超调量越大。由于液压缸d簧刚度k值远大于气缸k值，故液压缸系统阻尼比小于气缸系统阻尼比，可以判断在同样阶跃激励作用下，液压系统振动更厉害。

在嵌入式智能电镦机上，选择了气液结合驱动。气液联合驱动是指以压缩空气为动力源，通过气液转换元件将气体动力转换成液体动力的驱动方式。在本系统中，采用气液联动驱动砧子块，镦粗缸采用直接气体动力驱动。图4是在镦粗缸换向时，压力传感器测得的压力振动曲线示波器截图。液压驱动式镦粗缸振动幅值比气体驱动大25倍，振荡次数超过10次。实验证明，气液结合驱动系统压力稳定性好。

4、模糊自整定PID控制策略

电镦控制系统属于非线性时滞系统，涉及温度、压力、电流等参数的控制。用常规的PID控制器，难以达到较好的效果。模糊PID是将模糊控制与经典PID控制相结合的控制器，适用毛非线性、数学模型不确定的系统。

模糊自整定PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。模糊控制设计的核心问题是总结设计人员的技术知识和实际 *** 作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对kD、ki、kd三个参数分别整定的模糊控制表。kp、ki、kd的模糊规则表建立后，再应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，查出修正参数带入下式计算：

在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数在线自校正。

在电镦控制系统中，分别有电流、压力、速度三个控制参数；以压力为例来说明。在初始阶段，由于棒料加热温度没达到形变要求，形变较慢。在热镦阶段，温度已到达要求，形变较快。所以，可通过检测温度实时值，来控制压力输出。把经验所得的温度和压力对应表作为模糊集。温度作为控制器的输入量，经过模糊矢量化后输入给PID控制器，最终得到PID输出量后，转换位压力控制量输出给气压比例阀实现压力控制。系统框图如图5所示。

5、结语

嵌入式智能电镦机采用ARM7微处理器为核心的控制平台，实现了电镦加工过程的自动控制。基于μC／OS-II *** 作系统设计的控制软件，人机界面简单方便， *** 作人性化。选用模糊PID控制策略，克服了系统的非线性和时滞性问题，鲁棒性大大增强。本系统经某汽配厂电镦现场使用表明，提高了气门生产自动化程度，有助于提高工厂的经济效益。

责任编辑：gt