金属机械电子控制系统设计及应用

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摘要：为提高金属机械的工作效率和操作易用性，开展金属机械中的电子控制系统设计及应用研究。通过对系统硬件中的传感器和控制器，设计出一种简便易用的电子控制系统。实验证明，新的电子控制系统控制过程所需时间更短，因此可以有效提高金属机械的工作效率。

关键词：金属机械；电子；控制；系统

随着经济的快速发展，生产企业对于生产设备的质量要求逐渐提高，金属机械作为生产设备中的重要工具，对其要求不再只局限于性能上，金属机械的安全性、操作简便性、工作效率也成为了重要的评价标准。电子控制系统是以智能化为核心，采集金属机械的相关信号，经过不同的控制单元对金属机械进行控制，实现全自动操作的设备，是智能化工厂的关键组成。本文设计一种全新的金属机械电子控制系统，以满足生产企业的发展需求。

1金属机械中的电子控制系统硬件设计

金属机械中的电子控制系统硬件主要包括三部分，分别为传感器、控制器和执行器[1]。其相互之间的关系为：传感器精准获取状态信息，并向控制器发送输入信号；控制器处理输入信号，根据给定方式处理数据，向执行器发送控制信号；执行器根据控制器的控制信号，执行相应动作。再对三者进行细分，传感器包括按钮开关、拉力传感器、电机转速传感器以及倾角传感器等。控制器又可分为输入、输出接口、核心控制器以及网络端口等。执行器可分为状态输出指示灯、报警器以及伺服电机等。1.1传感器设计。传感器是用于获取金属机械运行状态的主要途径，传感器类型的选择由金属机械的状态决定，首先明确所需的运行状态，针对状态类型对传感器进行选取。倾角传感器是用于计算金属机械拉力的重要参量，若没有倾角传感器，系统将无法准确判定当下机械运行的环境，为了保证在规定的范围内，产生最大的金属机械拉力，不仅会增加电能的消耗，同时还会加速控制系统的磨损速度，降低控制系统的使用寿命。但通过倾角传感器获取到相应的数据信息，只需要控制系统给金属机械一个大于制动的拉力值即可。不仅不需要达到金属机械的极限拉力，同时还可以有效提高控制系统的效率。1.2控制器设计。金属机械的电子控制系统其核心为嵌入式系统，因此该系统是指向被控对象，嵌入到实际应用的系统当中，从而实现嵌入式应用的计算机系统。电子控制系统的核心为，在网络技术的协同下，控制金属机械运行的电子控制系统。处理器的CPU内核选用CIP-51核，其控制指令的周期按照时钟周期为准，指令集中度约为60%的指令在一到两个时钟周期内完成。工作环境周围的温度在零下30℃到零上120℃之间，工作电压为1.6V~5.5V，内置数据存储器为4352字节，可以支持输入为8V的模拟信号，以及6个32位通用定时器。

2金属机械中的电子控制系统软件设计

2.1软件开发环境的选择。对于电子控制系统，其软件的运行环境选择在电子控制单元以及微控制单元中。电子控制单元选用MCS-51指令集的单片机系统，为了提升本文设计的控制系统的工作效率，因此选用集成开发环境，汇编器以及连接器内部的核心工具选用KeilC51工具，从而降低系统程序编写的复杂程度。2.2通讯设计。控制器域网通信总线选用广播的方式进行传输，利用标识符进行区分，设定标识符越小，优先级越高的原则，能够有效对报文进行滤波，利用循环冗余校验的方法进行系统的错误检验[2]。控制器域网报文可分为远程帧、数据帧以及出错帧，根据实际情况中不同的需要，选择不同类型的报文。控制器域网通信包括标识符定义、波特率设定、数据的打包和解包。这一部分必须与金属机械整体中的其它通讯模块相互对应，才能实现控制系统的通讯功能。在对控制系统进行调试的过程中，为了更加直观的获取到金属机械的内部状态信息，在控制系统中增设了两组数据帧，用于发送控制系统内部状态内部状态信息最终会发送到连接在金属机械设备上行的监视调节设备上，从而判断控制系统是否能够正确捕获金属机械信息，是否按照控制系统的相关控制指令做出准确的指令动作。2.3数字滤波设计。由于金属机械的工作环境十分恶劣，因此对于信号进行滤波处理是十分有必要的，通过滤波处理可以有效减少外界环境对控制系统的影响。因此，为了保证控制系统的可靠性运行，在软件设计当中增加对数字滤波的设计。滤波处理主要可分为两部分，一是对按钮检测进行滤波处理：为了防止由于操作失误造成的抖动而被控制系统认为是多次操作的问题发生，在系统中设置去抖动滤波程序。以3ms为一个时间间隔，若进行连续采样的过程中有30个使能电平，则认为该操作为正常按键操作；若在30次内，有任意一次采样为非使能电平，则认为该操作为非正常按键操作，放弃本次查询结果，重新进入初始化查询程序，进行再次查询。二是模拟信号的采样滤波处理：控制系统中的模拟信号包括拉力传感器信号以及倾角信号。由于两种信号类型的应用环境不同，因此受到的影响也是不同的。拉力传感器信号位于控制系统的内部，因此受到的影响相对较小，可以选用数学算法中的算数平均值的方式对其进行滤波处理。而倾角信号相对复杂，因此选用一种新兴的数字滤波的方式，对其进行滤波处理。这种方法不仅可以提高传统滤波的精确度，同时还可以在系统的程序中对滤波阈值进行随意的修改，克服传统滤波器的缺点。

3仿真测试

为了验证本文设计的电子控制系统的有效性，将本文系统与传统的控制系统进行仿真对比实验。利用虚拟平台构建两个完全相同的金属机械，并用本文系统与传统系统分别对金属机械进行控制，分别发出5组完全相同的指令信息，比较两个金属机械完成该指令的时间，并记录在表1实验结果中。通过仿真测试及实验结果可以看出，本文控制系统在对金属机械的相应动作指令进行控制过程中，完成相应控制指令所消耗的时间明显比传统控制系统短，满足电子控制系统的设计要求，因此更具有实际的应用价值。

4结语

通过本文对电子控制系统进行优化设计，可以有效提高金属机械的工作效率。但对于控制系统中的硬件可靠性以及使用寿命还有待进行进一步的检测，目前阶段仅对控制系统的功能进行测试研究，后续还将对系统中的各元件进行测试才能验证控制系统是否可以进行批量的生产和制造。

作者:张建国 单位:甘肃畜牧工程职业技术学院