基于ARM的气门电镦成型电流控制

1、引言

　　发动机的进排气门是发动机的重要零件，广泛用于汽车，飞机，船舶等行业。对气门的质量影响最大的因素之一是毛坯成型时的加热电流。

　　电镦机的工作原理图如上图1所示，加热变压器的次级两端与砧子、夹持电极及毛坯构成回路，在低电压、大电流的作用下，毛坯和砧子间形成的接触电阻发热至成型温度，在砧子和镦粗缸的压力下逐渐成型为‘蒜头’状。其工艺过程可分为始镦和终镦两个过程:

　　1.始镦阶段：在此阶段，墩粗缸和砧子缸分别以速度V1和V2向上运动，砧子缸的后退运动用于控制毛坯的初始加热、变形长度，其中V1>V2。在此阶段毛坯通过大电流发热并逐渐变形为蒜头状。

　　２.终镦阶段：在始镦过程结束时，砧子缸运动暂停。墩粗缸继续向上运动。
　　
　　由上镦粗过程可见，镦粗缸、砧子缸的速度、镦粗压力和加热电流等参数对气门毛坯成形质量起着决定性作用。其中，加热电流是该控制系统中的一个最关键参数。一般来说，镦粗温度过低时材料的塑性差，易产生裂纹，甚至镦裂；但过高的镦粗温度将导致晶粒粗大，产生过热，甚至过烧[1]。因此，镦粗温度是决定镦粗质量的最关键工艺参数之一。从理论上分析，工件在加热顶锻过程中其变形曲线是不规则的，最好是电流随变形的变化而变化[2]。因此，提高质量的关键在于对加热电流的合理控制。

图1电镦机工作原理图

2、可控硅触发方式

3、可控硅移相调功在嵌入式系统中的实现

　　作者开发的基于ARM微处理器和实时操作系统的电镦机控制系统具有功能强、稳定性好等优点。系统中ARM对可控硅的触发控制原理如图2所示：

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图3为过零检测原理图。用光电隔离器TIP521对电压过零检测。当电压没有过零时，TIP521中有一路导通，则DT&DS=0；当电压过零时，则DT&DS=1。DT、DS经一与非门接到S3C44B0X的PG0口，则当电压过零时，触发中断EXINT0。

4、基于FUPID的加热电流优化控制策略

　　电镦机镦粗过程中镦粗压力、镦粗缸和砧子缸的速度以及加热电流等几个参数对气门成型温度、成型形状及质量等有直接影响，而且各参数需优化配合。加热电流直接影响加热温度，但镦粗速度也会影响加热温度，而镦粗速度又受加热温度和镦粗压力的影响。这些参数之间互相影响，且这几个参数的变化关系是非线性的，用常规的PID控制器，难达到较好的效果。

　　FuPID是将模糊控制与经典PID控制相结合形成的新型控制器，适用于非线性严重、工况变化大的过程，能够有效提高控制品质。FuPID使用方便，参数调整可以参照PID控制器的调节经验进行。FuPID还可以根据实际对象的特点，实现局部控制规则的调整，从而实现控制参数的局部优化，实现更好的调节效果。

4.1 模糊控制控制策略

　　模糊控制器[4][5]是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器，其核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。

　　模糊控制的主要步骤是：
　　①将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。
　　②转换的模糊矢量由基于专家或手动操作熟练人员长期经验而推理形成的一种语言表示形式-模糊规则，来计算出模糊的控制量。
　　③由模糊控制量计算处理得到精确的控制量并输出到执行机构上。
　　为了提高控制性能，采用二维模糊控制器。FUPID控制器结构框图如4所示：

5、可控硅调功控制的软件实现

5.1 电压过零点检测

　　电压过零检测端口接到ARM端口G的PG0端口，则当电压过零时触发ARM的外部中断EXINT0。
　　中断初始化为：
Void init_Ext0(void)
{ rINTMOD=0x0;//设置为IRQ中断
rINTCON= 0x1;//允许IRQ中断
……}

Void Eint0Isr(void) //中断服务程序
{
OS_ENTER_CRITICAL();//关中断
rI_ISPC=BIT_EINT0; //清挂起位
rEXTINTPND=0xf;//清EXTINTPND
OS_EXIT_CRITICAL();//开中断
OSSemPost(Sem);
}

5.2 触发脉冲的实现

　　检测到电压过零后，启动定时器来对导通角触发位置进行计时,当计时时间到时，由PE5口发出一触发脉冲。在系统中采用定时器0来定时。时钟初始化程序为：
Void timer_Int(void)
{
rINTMOD=0x0;
rINTCON=0x1;//使能中断
}

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Void TaskChufa(void *pdata)
{｀设定定时器的定时时间｀
Void timer_Int；
OSSemPend(Sem,0,&err);
//等待外部中断EXINT0的中断信号量。
rTCON=0x19;//使能定时器0
OSSemPend(Ssz,0,&err);
//等待定时器0的中断信号量。
｀产生触发脉冲｀
OSSemPost(Smg);
OSTASKDel（OS_PRIO_SELF）;
}
时钟中断程序为：
Void zd_timer(void)
{
OS_ENTER_CRITICAL();//关中断
rINTCON=0x0;//禁止中断
OS_EXIT_CRITICAL();//开中断
OSSemPost(Ssz);
}

5.3 控制流程

＃include
…………………
OS_STK TaskChufaStk[TaskStk]
Void TaskChufa(void *pdata)
OS_EVENT *Sem;
OS_EVENT *Ssz;
OS_EVENT *Smg;
Int main(void)
{
OSInit();
OSTaskCreate(TaskKey,(void*)0,
&TaskKeyStk[TaskStk-1],3);
OSStart;
return(0);
}

6、结束语
　　
　　在嵌入式电镦机中，利用可控硅移相触发方式可提高加热电流的控制精度；利用FUPID算法对加热电流控制进行优化处理，对气门成型的合格率及生产效率有极大的提高。