基于dsp的壓鑄機閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

基于dsp的壓鑄機閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

0系統(tǒng)總體及工藝參數(shù)壓力精煉在許多行業(yè)和領域得到了廣泛應用，尤其是在大型制造汽車、摩托車、城市交通、電子、儀表和航空航天行業(yè)。它是不可或缺的組成部分，杏仁技術在市場和應用中有著非常廣闊的前景。近年來,隨著壓鑄工業(yè)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代化進程的不斷加快,這種優(yōu)質(zhì)高效率的生產(chǎn)方法越來越成為企業(yè)追求的目標。因此研制出一種操作簡便、界面友好、自動化程度高、可靠性好的壓鑄機電控系統(tǒng)成為必要。TI公司推出的微型處理器DSP(TMS320LF2407)是24X系列的頂級產(chǎn)品,運算速度達40MIPS,片內(nèi)資源豐富:2個事件管理模塊,可產(chǎn)生多路PWM波形輸出;同步16通道高性能10位ADC,轉(zhuǎn)換時間500ns;支持串行異步通信接口(SCI)、串行同步外設接口(SPI)、CAN總線2.0標準接口。外圍擴展簡潔經(jīng)濟,容易實現(xiàn)對整個壓鑄工藝過程的控制和實時工作狀態(tài)檢測,并使系統(tǒng)升級具備了良好的硬件基礎。1傳統(tǒng)壓力鑄造機溫度控制的方法1.1壓鑄機液壓系統(tǒng)的設計系統(tǒng)如圖1所示,由中央控制器、輸入裝置、輸出裝置、液壓控制系統(tǒng)4部分組成。其作用是通過預先編好的程序?qū)鸿T機工序進行順序控制,來滿足工藝流程對控制系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)的主要輸入信號是步序控制信號,由各行程開關來提供。輸出裝置是接受中央控制器發(fā)出的輸出信號,直接驅(qū)動電磁閥,通過電磁閥動作實現(xiàn)液壓控制,完成各工序的要求。這種控制方式是一種單向的無反饋控制方式。1.2電磁閥的控制系統(tǒng)如圖2所示,主要由工控機、開關量輸入板、開關量輸出板、模擬量輸入板、繼電器板及外圍輔助電路構成。工控機主要完成控制指令的發(fā)出和模擬量的運算。具體控制過程為:由行程開關和控制按鈕發(fā)出的開關信號指示出目前壓鑄機所做的動作,經(jīng)過開關量輸入板進入工控機,通過定期讀取工控機的相應端口,可檢測到壓鑄機工作的狀態(tài),通過邏輯運算,形成相應的開關量輸出,再通過輸出繼電器板控制壓鑄機電磁閥通斷電。開關量輸入和輸出為防止干擾均采用光電隔離輸入輸出,增強系統(tǒng)的可靠性。2控制系統(tǒng)的設計特點現(xiàn)代壓鑄機集機、電、液于一體,對電控系統(tǒng)提出了更高的要求,主要包括:(1)能實現(xiàn)對整個壓鑄工藝流程的控制;(2)能實時監(jiān)控壓鑄過程中各接近開關、觸點、電磁閥等的工作狀態(tài),并具備故障提示功能;(3)能滿足壓鑄過程中的速度、壓力等的控制需求;(4)實時采集壓射速度、壓射壓力等重要工藝參數(shù),并以曲線的形式進行顯示,便于工藝分析;(5)具有良好的人機接口界面,數(shù)據(jù)存儲、報表打印功能。由PLC構成的控制系統(tǒng)只能完成組合邏輯的輸入輸出控制,無法對壓鑄機的工作狀態(tài)進行檢測,更談不上實時控制。因而造成成品率低、維修不方便、能源浪費等問題。采用工業(yè)控制機(IPC)控制后,良好的圖形界面給操作和維修帶來了極大的方便,同時生產(chǎn)效率也大大提高。國內(nèi)采用的工業(yè)控制機控制方式,一般都只是實現(xiàn)了一些重要壓鑄工藝參數(shù)的檢測,沒有實現(xiàn)壓射過程的速度、壓力的閉環(huán)控制。影響壓鑄質(zhì)量和效率的主要因素有快壓射過程中的壓射速度、增壓過程中的壓射比壓,合模力等要素。國內(nèi)目前較為常用的做法為,通過監(jiān)控一快、二快兩個接近開關,從而通過PLC的開關量輸出去驅(qū)動一快、二快這兩個電磁閥動作來實現(xiàn)快壓射過程的控制;同樣,也通過PLC對增壓接近開關的監(jiān)測,來完成系統(tǒng)的增壓過程控制。由于電磁閥的響應速度較慢,通常為100ms左右,而整個快壓射和增壓過程才需要幾十毫秒的時間,達不到較為理想工藝需求,需要一款高性能的CPU和控制算法來加以改進。在上述分析基礎上,我們設計了一個采用DSP作為核心控制器的壓鑄機控制系統(tǒng),以滿足現(xiàn)代壓鑄機的控制需求。3控制系統(tǒng)硬件設計傳統(tǒng)的壓鑄機壓射系統(tǒng)采用開關電磁閥對快壓射進行控制,因此其響應速度慢且不可調(diào),在此用伺服插裝結構對其進行改進,以提高二快響應速度并實現(xiàn)速度可調(diào)。電氣控制系統(tǒng)以DSP控制器為核心,并輔以液晶顯示屏、薄膜按鍵、開關量輸入監(jiān)測電路、開關量輸出驅(qū)動電路、模擬信號檢測電路、模擬量輸出調(diào)理電路、比例伺服放大板、位移傳感器、操作按鈕以及接近開關等部分組成。這一部分主要用于對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測和自動控制,從而實現(xiàn)對整個壓鑄過程的控制和快壓射過程中對插裝閥位置的閉環(huán)控制。整體控制框圖如圖3所示:在壓鑄機正常運行前,所需的初值和動作事先通過薄膜按鍵、操作面板上的按鈕,并借助液晶顯示屏在DSP控制器中進行設定。壓鑄機啟動后,分別對整個壓鑄過程的動作順序和插裝閥的位置進行控制,以保證整個壓鑄工程可靠順利的進行和壓鑄件的質(zhì)量。在運行過程中,DSP控制器不斷的對操作按鈕和接近開關進行檢測,并按事先設定的動作順序進行動作控制,同時在電腦屏上實時顯示工作狀態(tài)。在DSP控制器檢測到二快起始位接近開關閉合時,DSP控制器通過位置傳感器對插裝閥的位置不斷地進行檢測,并進行相應算法計算后,實現(xiàn)對插裝閥的位置閉環(huán)控制。位置控制系統(tǒng)是一個典型的閉環(huán)系統(tǒng),本系統(tǒng)中就采用了對插裝閥位置的閉環(huán)控制來實現(xiàn)二快速度的間接可調(diào),其控制框圖如圖4所示。通過位移傳感器實時檢測插裝閥閥芯的實際位置,位置量轉(zhuǎn)化成0～10V的電壓量后輸入至模擬信號檢測電路,經(jīng)調(diào)理后的電壓信號最終送給DSP控制器進行A/D轉(zhuǎn)換。DSP控制器將檢測到的位置值與事先設定的位置值比較,DSP控制器利用它們差值為參數(shù),并采用適當?shù)目刂撇呗詻Q定控制量,并通過改變PWM信號輸出占空比的形式,經(jīng)濾波、調(diào)理、放大板放大后輸入伺服流量閥,最終使插裝閥的位置以盡量快的速度與事先設定的位置值一致。這樣就可以實現(xiàn)提高二快響應速度的目的。同樣,通過改變事先需設定的插裝閥的位置值,則可以實現(xiàn)二快速度的間接可調(diào)。控制系統(tǒng)硬件部分采用按功能模塊設計的思想進行了系統(tǒng)方案設計,整個系統(tǒng)由母板和子板的形式構成,主要包括以DSP+CPLD為核心的主板部分、開關量輸入板、開關量輸出板、模擬信號采集板、模擬信號控制輸出板、系統(tǒng)電源板等幾部分組成。其中主板核心部分又包括如下幾部分:(1)主板電源和復位電路:為DSP及相關器件提供穩(wěn)定可靠的電源和對DSP進行復位。(2)存儲器擴展電路:用來對系統(tǒng)進行單步仿真調(diào)試和臨時存儲數(shù)據(jù)。(3)鍵盤顯示電路:為實現(xiàn)工藝參數(shù)修改、設定、存儲提供人性化的人機界面。(4)通信接口電路:用來實現(xiàn)與PC機的通信和數(shù)據(jù)傳輸,為將來更好的分析壓射速度曲線、壓射壓力曲線與壓鑄質(zhì)量的關系做好硬件上的準備。(5)其他外圍電路:主板為了與其它開關量輸入輸出子板、模擬量輸入輸出子板以及電源板進行接口,在主板上設計有相應接口。另外,主板上還設計一個濾油器堵信號輸入接口電路,起到系統(tǒng)保護的目的?？刂葡到y(tǒng)的軟件也是按照功能模塊思想進行的設計,各主要軟件模塊所肩負的任務和功能如下:(1)主程序:協(xié)調(diào)各個程序模塊的運行和管理各個中斷,使壓鑄過程順利可靠的進行;(2)控制模塊:主要負責完成壓鑄機的控制功能,它又包括3個功能模塊:運行監(jiān)控模塊、PID控制模塊和異常處理模塊;(3)通訊模塊:此功能模塊為系統(tǒng)升級而保留,主要用以處理與上位機的通訊,接受上位機的控制命令并執(zhí)行和數(shù)據(jù)下傳,實時上傳工作狀態(tài)信息和采集到的數(shù)據(jù);(4)定時模塊:主要為PWM載波頻率設定、采樣頻率設定和需要時間控制場合的動作提供時鐘基準;(5)