摘? 要： 介紹了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812控制的液壓注塑機(jī)伺服控制系統(tǒng)的控制原理、系統(tǒng)硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)電路簡單、工作可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和靜態(tài)性能良好，具有較高的性價(jià)比。
關(guān)鍵詞： 永磁同步電動(dòng)機(jī)； 伺服控制系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制
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液壓式注塑機(jī)在精密成型、復(fù)雜形狀制品的加工方面有許多獨(dú)特優(yōu)勢，但為了保證加工精度就必須采用伺服閥，因而增加了成本。在加工的整個(gè)生產(chǎn)過程中，為了保證每個(gè)階段的流量和壓力，電機(jī)負(fù)載變化較大，致使油泵電機(jī)的容量比實(shí)際需要高出很多，造成電能的極大浪費(fèi)。隨著變頻技術(shù)和電機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了變頻節(jié)能型注塑機(jī)，其控制系統(tǒng)的模式為：人機(jī)界面+PLC+變頻器+三相異步電機(jī)[1]，以此達(dá)到節(jié)能的目的。但由于采用三相異步電機(jī)和通用變頻器，控制與響應(yīng)都較慢，電機(jī)的加速與減速時(shí)間較長(2 s～3 s)，無法滿足快速加工的要求；同時(shí)，由于對(duì)系統(tǒng)中的流量和壓力沒有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，加工精度無法保證。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）采用了高能永磁體，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、低慣性、快響應(yīng)、高功率因數(shù)、過載能力強(qiáng)、低損耗、高效率等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)等各種自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域，成為高精度、微進(jìn)給伺服系統(tǒng)的最佳執(zhí)行元件之一。DSP控制器的大量使用，改善了系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)性價(jià)比。為了滿足液壓注塑機(jī)快速、精密、節(jié)能的要求，本控制系統(tǒng)采用TMS320F2812作為主控芯片，構(gòu)成“上位機(jī)+DSP+永磁同步電動(dòng)機(jī)”流量與壓力雙閉環(huán)的系統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)了基于DSP的液壓注塑機(jī)伺服系統(tǒng)的控制。
1 控制原理
對(duì)于某一型號(hào)的注塑機(jī)而言，由于油缸的活塞面積和油泵的技術(shù)參數(shù)已經(jīng)確定，因此油泵的輸出流量與電機(jī)的轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系，且油路內(nèi)的壓力與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩近似正比[1]。只要根據(jù)注塑機(jī)的工藝要求，將各工序所需流量換算成轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，各工序所需的壓力作為電機(jī)的負(fù)載，隨工作進(jìn)程的變化，及時(shí)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，就能實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)跟蹤控制，達(dá)到液壓注塑機(jī)伺服控制的目的。
永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，通常采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，只要保持is與d軸垂直，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為[2]： Td=pmΨr isq=pmΨr isd式中，pm為轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)，Ψr為轉(zhuǎn)子磁場在定子上的耦合磁鏈，isd、isq為定子電流矢量is在d、q軸的分量；通過控制isq來控制轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而達(dá)到控制液壓注塑機(jī)油路內(nèi)流量的目的。系統(tǒng)的控制原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制模式，即轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)控制模式。首先，由上位機(jī)（PLC）根據(jù)注塑機(jī)的運(yùn)行狀況，將該工序所需的流量以通信的方式傳送給DSP，DSP響應(yīng)后，經(jīng)轉(zhuǎn)換作為速度環(huán)的給定。然后與檢測到的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)相比較，輸出控制轉(zhuǎn)矩的電流分量isqref，電流分量給定信號(hào)與經(jīng)過坐標(biāo)變換的電機(jī)實(shí)際電流分量相比較，通過電流調(diào)節(jié)器的PI運(yùn)算，其輸出量經(jīng)Park逆變換得到Vsαref、Vsβref，空間SVPWM模塊根據(jù)這2個(gè)信號(hào)計(jì)算PWM的占空比，生成PWM波,驅(qū)動(dòng)逆變器，產(chǎn)生頻率和幅值可調(diào)的三相正弦電流輸入電機(jī)定子。驅(qū)動(dòng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，對(duì)注塑機(jī)所需的流量和壓力進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)全程自動(dòng)跟蹤，達(dá)到伺服控制的目的。
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2 系統(tǒng)的硬件電路與功能[2-3]
系統(tǒng)主要由主電路、DSP控制電路、檢測反饋與保護(hù)電路組成，其原理框圖如圖2所示。
主電路由整流器、IPM逆變器、電機(jī)組成。IPM采用三菱公司智能功率模塊PM20CSJ060，其內(nèi)部有6只高速低損耗IGBT，組成三相全橋逆變電路，并且內(nèi)部集成有驅(qū)動(dòng)電路，并有過電壓、過電流、過熱及欠電壓等故障保護(hù)電路。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，IPM發(fā)出信號(hào),通過TMS320F2812的外部中斷PDPINT封鎖DSP輸出PWM脈沖，從而保護(hù)IPM免受損壞。為避免電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過高的泵生電壓，通過直流側(cè)電壓檢測，將電壓檢測信號(hào)接入DSP的I/O口，進(jìn)行過電壓的軟件保護(hù)控制，通過泄放回路將制動(dòng)時(shí)的高能量泄放。
控制電路主要由上位機(jī)、TMS320F2812、輸入/輸出接口電路等組成。TMS320F2812采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù),主頻達(dá)150 MHz(時(shí)鐘周期6.67 ns)，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的能力；片內(nèi)128 K×16 bit的Flash，128 K×16 bit ROM，18 K×16 bit的SARAM，1 K×16 bit 1次可編成的存儲(chǔ)器OTP。高效的代碼轉(zhuǎn)換功能(支持C/C ++和匯編)，流水線采樣最高速率為60 ns，12 bit A/D多達(dá)16個(gè)，PWM輸出通道多達(dá)12個(gè)，使控制系統(tǒng)的價(jià)格大大降低而且體積縮小、可靠性提高。
電機(jī)相電流檢測是通過電流型霍爾傳感器和電阻采樣后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)AC-DC變換為0～3 V的電壓信號(hào)接入DSP的A/D通道引腳。系統(tǒng)采用的光電編碼器為每周2 500脈沖，有20針的標(biāo)準(zhǔn)接口，提供6路脈沖信號(hào)。脈沖經(jīng)QEP電路4倍頻后，用來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要由主程序、運(yùn)行控制子程序等組成，分別如圖3、圖4所示。主程序完成硬軟件初始化、故障檢測及處理、通信、運(yùn)行等。硬件初始化主要完成DSP 的設(shè)置，如看門狗、時(shí)鐘、計(jì)時(shí)器、 ADC、SCI、I/O、事件管理(EV)等的設(shè)置。軟件初始化主要對(duì)軟件變量賦予初值，DSP通過SCI串口與上位機(jī)(PLC)保持通信,接收上位機(jī)傳送的命令,更新變量和標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤控制。運(yùn)行控制子程序主要完成對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的變頻矢量控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速電流的雙閉環(huán)控制。
應(yīng)用Matlab建立PWSM控制系統(tǒng)仿真模型,仿真參數(shù)設(shè)置：永磁同步電動(dòng)機(jī)定子相感抗為4.8 mH，定子相電阻為2.1 Ω，額定轉(zhuǎn)矩為2.2 Nm，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定功率這690 W。通過對(duì)注塑機(jī)合膜階段的給定設(shè)置，仿真結(jié)果如圖5所示。從仿真曲線可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速和相電流在注塑機(jī)的三級(jí)合膜階段中, 20 ms~100 ms即可達(dá)到各級(jí)所需的轉(zhuǎn)速值和電流值。表明采用高速的TMS320F2812 DSP芯片,在實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和電流進(jìn)行矢量控制的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)注塑機(jī)工作流量和壓力的控制，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和靜態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的控制速度和精度，并使系統(tǒng)具有硬件簡單、過載能力強(qiáng)和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1]?李軍生. SZ-1000A雙動(dòng)模液壓注塑機(jī)的智能控制[J].?電氣傳動(dòng)，2005(5).
[2]?韓安太，劉峙飛，黃海. DSP控制其原理及其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.
[3]?王曉明, 王玲. 電動(dòng)機(jī)的DSP 控制——TI公司DSP應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.