基于Simulink/DSP的電子壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)控制規(guī)律的研究

薄 偉，陳昌明，易建軍，田曉強(qiáng)

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

1 引 言

在當(dāng)前壓力機(jī)沖壓生產(chǎn)過程中，先進(jìn)的機(jī)械化系統(tǒng)、新工藝以及智能控制技術(shù)等被越來越廣泛地采用，大大提高了零部件沖壓生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量，降低了沖壓成本[1]。隨著伺服技術(shù)的不斷發(fā)展，基于伺服電機(jī)高速響應(yīng)、低振動(dòng)、控制方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子壓力機(jī)代表先進(jìn)沖壓設(shè)備的發(fā)展潮流。

目前從國內(nèi)外壓力機(jī)研究的現(xiàn)狀來看，通過改進(jìn)壓力機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)基本上到了研究極限，故只能從壓力機(jī)的控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)方式上來進(jìn)行改進(jìn)[2-3]。由于壓力機(jī)在加工不同材料時(shí)加工特性有所不同，材料內(nèi)部的應(yīng)力結(jié)構(gòu)變化因素都會影響到加工的期望值，這樣就必然要求壓力機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有較高的柔性，能夠滿足不同材料在不同加工模式下加工的要求。因此，給壓力機(jī)的研究開發(fā)帶來了難度。鑒于此，該系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，交流伺服電機(jī)具有很強(qiáng)的柔性，能夠?qū)崿F(xiàn)位置和速度的精確控制，可調(diào)速度的范圍比較寬，響應(yīng)速度快，全閉環(huán)控制保證了加工材料的精度。

為研究壓力機(jī)適應(yīng)零部件加工的不同控制要求，該文以壓力機(jī)機(jī)構(gòu)中滑塊的恒定速度控制為例進(jìn)行了分析與探討。通過運(yùn)用Target for TI C2000工具，構(gòu)建符合控制要求的Simulink模型，進(jìn)行軟件仿真。把最主要的精力放在Simulink建模和控制算法的設(shè)計(jì)上，使得對伺服電機(jī)的控制達(dá)到最理想的狀態(tài)。

2 電子壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方案

傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)是利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后對原料進(jìn)行成形加工。在鍛壓機(jī)械中，機(jī)械壓力機(jī)所占的比例達(dá)到80%以上[4]。目前，國內(nèi)外廣泛使用的機(jī)械壓力機(jī)在驅(qū)動(dòng)方式上仍沿用不可調(diào)速的普通交流異步電動(dòng)機(jī)、離合器-制動(dòng)器、飛輪組合[5]。但隨著科技的發(fā)展，市場上對高精度、高質(zhì)量、低價(jià)格產(chǎn)品的需求越來越大，用于制造產(chǎn)品的材料越來越豐富，使得對于能夠高效率制造高精度、高品質(zhì)產(chǎn)品的加工設(shè)備需求越來越強(qiáng)烈[6]。

該文提出了一種由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的解決方案。電子壓力機(jī)主要由電機(jī)控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操控系統(tǒng)等部分組成，結(jié)果圖如圖1所示。

從圖1可以看出，精密電子壓力機(jī)由AC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過將同步齒形皮帶、軸承和滾珠絲杠連接起來，然后由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠，同時(shí)滾珠絲杠下端放置高精度力傳感器，進(jìn)行壓裝作業(yè)過程中實(shí)時(shí)讀取采集的力值反饋給控制箱中的DSP，DSP可以根據(jù)設(shè)定好的程序精確控制力、行程、速度等測量參數(shù)，實(shí)時(shí)閉環(huán)在線控制壓裝過程，從而為精密壓力裝配提供充分的質(zhì)量保證。

3 硬件電路平臺的設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)電子壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn)，采用專用電機(jī)控制芯片TMS320F2812，該芯片非常適合于電機(jī)的數(shù)字化控制。它以32位定點(diǎn)CPU為內(nèi)核，配置了完善的外圍設(shè)備，處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，主頻高達(dá)150 MIPS，128 K字節(jié)的Flash，有專門用于電機(jī)控制的事件管理器，事務(wù)處理能力強(qiáng)，程序存儲器大，具有在線仿真功能，使其在線調(diào)試比較方便快捷[7-8]。其硬件系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

在該設(shè)計(jì)中主要有兩種信號需要采集，分別是力值信號和位移信號。力值采集精度和位移讀取的精度直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的精度和性能，故這兩種信號采集電路的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成敗與否的關(guān)鍵。在開發(fā)電子壓力機(jī)測控系統(tǒng)過程中，不但要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)讀取力傳感器和位移傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，而且要進(jìn)行分析計(jì)算，對其進(jìn)行快速處理，所以對控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理能力要求較高。另外，作為人機(jī)交互界面，液晶顯示是用戶操作的直觀對象，應(yīng)方便用戶輸入?yún)?shù)、執(zhí)行操作，實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)給用戶進(jìn)行判斷分析。用戶在使用電子壓力機(jī)時(shí)，依據(jù)自身的實(shí)際需要來修改液晶顯示界面里的參數(shù)值向控制器發(fā)出不同的操作命令，所以在設(shè)計(jì)液晶顯示界面時(shí)，應(yīng)保持界面簡潔直觀，方便操作。整體來說，控制系統(tǒng)應(yīng)在壓裝過程中承擔(dān)以下任務(wù)：

（1）狀態(tài)監(jiān)測。在顯示界面上，應(yīng)通過實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)來判斷現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，比如電機(jī)的啟動(dòng)與停止、原始位置與起始位置等參數(shù)，運(yùn)用實(shí)時(shí)曲線來顯示壓頭的速度和位移參量。

（2）過程檢測。實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前載荷的大小、工件的壓裝狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)的位移大小是否符合合格標(biāo)準(zhǔn)。

（3）報(bào)警提示。如果現(xiàn)場壓裝操作過程中出現(xiàn)壓力過載、電機(jī)急停等因素時(shí)，應(yīng)有響應(yīng)的報(bào)警提示來提醒操作人員檢查壓裝過程，分析故障原因，并記錄下來便于下次避免。

（4）參數(shù)修改。由于壓裝工件有所不同，要求速度位移等參數(shù)需要對其進(jìn)行相應(yīng)修改，保持系統(tǒng)較好完成壓裝過程。

4 利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行硬件建模

在傳統(tǒng)的基于DSP平臺開發(fā)模式中，開發(fā)流程有開發(fā)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分。在開發(fā)設(shè)計(jì)部分完成算法開發(fā)和方案設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)用來驗(yàn)證開發(fā)設(shè)計(jì)的正確性，通常需要不同部門的相互配合。這樣就會造成不同部門之間的協(xié)調(diào)性有所欠缺，開發(fā)周期較長，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)等。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完之后，花費(fèi)大量人力物力對各個(gè)模塊進(jìn)行逐步調(diào)試，進(jìn)行復(fù)雜代碼的編寫工作。

隨著工業(yè)軟件的發(fā)展，這種傳統(tǒng)開發(fā)方式已經(jīng)被逐漸擯棄。借助于Target for TI C2000工具，通過在Matlab/Simulink中圖形化建模來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)仿真。集成在Matlab中的Matlab Link for CCSDevelopment Tools提供了 Matlab、TI DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS和硬件DSP的雙向連接，允許開發(fā)者在Matlab的環(huán)境下就可以完成對CCS和硬件目標(biāo)DSP的操作[9]。開發(fā)人員通過在Simulink中調(diào)用這些圖形化的功能模塊建立滿足產(chǎn)品的各種模型，對這些模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，然后運(yùn)用Real-Time Workshop模塊來自動(dòng)生成CCS的項(xiàng)目工程文件，在CCS中經(jīng)過修改、編譯后即可下載到DSP目標(biāo)板中運(yùn)行。Simulink自動(dòng)生成CCS代碼流程圖如圖3所示。

Matlab具有強(qiáng)大的Simulink動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。Simulink支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持多種采樣速率的多速率系統(tǒng)，Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口。它使得開發(fā)者將最主要的精力用在算法設(shè)計(jì)和模型的構(gòu)造上，為用戶節(jié)省了大量的代碼編寫工作。開發(fā)者只需要掌握Simulink中的輸入、輸出等模塊的功能，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。正是基于這些特點(diǎn)，Simulink被廣泛應(yīng)用于各類系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真過程。

壓力機(jī)的控制方式主要包括恒定壓裝速度控制、恒定壓力控制、恒定壓裝位置等控制方式。鑒于篇幅所限，該文只對恒定速度控制方式下的電子壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行探討。

在討論運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制算法時(shí)，往往對于壓力機(jī)能否實(shí)現(xiàn)精確控制有著重要的意義。為了確保壓力機(jī)的定位精度和穩(wěn)定性，又能夠讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，速度控制采用傳統(tǒng)的PID控制算法。作為應(yīng)用廣泛的算法之一，PID算法以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出需要控制的量來進(jìn)行控制的[10-11]。如圖4所示。

在伺服電機(jī)的速度控制中，電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢通過向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送電壓值的大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)速大小通過與電機(jī)主軸相聯(lián)接的光柵編碼器來進(jìn)行測定；旋轉(zhuǎn)方向通過電壓值的正負(fù)來確定。當(dāng)向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的電壓為零時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

基于此，在定速度控制過程中首先設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速，以期望電機(jī)能夠按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)定的轉(zhuǎn)速與反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，當(dāng)實(shí)際的轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速不相符時(shí)，通過PID調(diào)節(jié)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近設(shè)定值。如若設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速不相符，則這個(gè)循環(huán)過程一直進(jìn)行，直到設(shè)定的轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速相等為止，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。恒定壓裝速度控制方式如圖5所示。

根據(jù)以上分析，在恒定壓裝速度控制的框圖程序中，需要用到的功能模塊主要有GPIO功能模塊、QEP功能模塊和PID Controller功能模塊。具體控制的框圖程序如圖6所示。恒定壓裝速度控制系統(tǒng)用到的控制模塊及功能如下所示：

（1）GPIO定功能模塊。通過GPIO口置高，使得GPIO引腳置高電壓，從而三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，控制伺服電機(jī)處于使能工作狀態(tài)。

（2）QEP功能模塊。QEP功能模塊的主要作用就是通過脈沖變化率來讀取轉(zhuǎn)速值。在QEP功能模塊的參數(shù)設(shè)定面板中，計(jì)數(shù)模式選擇RPM模式。該功能模塊就會輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，對應(yīng)單位是r/min。

（3）PID Controller功能模塊。PID Controller功能模塊在模型中的主要作用是根據(jù)反饋信號的大小與輸入信號進(jìn)行比較，從而不斷調(diào)整控制量的大小。在程序中，分別將設(shè)定速度和QEP模塊采集到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速連接到了PID功能模塊的參考輸入端和反饋輸入端。這樣PID功能模塊就會根據(jù)設(shè)定速度和QEP模塊采集到的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的差別調(diào)節(jié)輸出，直到參考輸入端的速度值與反饋輸入端的速度值一致。在其參數(shù)設(shè)定面板中可以對它的比例系數(shù)Kp，積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd分別加以設(shè)定來實(shí)現(xiàn)控制。

（4）SPI功能模塊。DSP芯片的SPI功能模塊將經(jīng)過PID調(diào)節(jié)的16位數(shù)據(jù)發(fā)送給DA芯片，從而完成恒定壓裝速度控制的PID調(diào)節(jié)過程[12]。

5 恒定速度控制方法的仿真驗(yàn)證與分析

以恒定壓裝速度控制程序中的PID調(diào)節(jié)過程為例，因?yàn)閮H僅是采用軟件仿真，故程序中的QEP功能模塊無法采集實(shí)際的轉(zhuǎn)速值。如果要進(jìn)行軟件仿真，需要用一個(gè)模塊替代QEP功能模塊來發(fā)送設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，從而觀察PID調(diào)節(jié)的效果。

在PID調(diào)節(jié)仿真過程中，用正弦信號輸出模塊來代替恒定速度控制程序的子系統(tǒng)2中的QEP功能模塊。如圖7所示。

正弦信號會反映采集到的實(shí)際轉(zhuǎn)速值相對于設(shè)定值的波動(dòng)情況。在仿真過程中，可以通過對正弦信號輸出模塊參數(shù)的設(shè)定來確定波動(dòng)幅度的大小。正弦信號輸出功能模塊的參數(shù)設(shè)定如圖8所示。

在正弦信號輸出功能模塊的參數(shù)設(shè)定對話框中，將幅值和偏置分別設(shè)為50和2000。這樣該功能模塊輸出的設(shè)定速度信號就是以2 000 r/min為中心，以50 r/min為幅值，上下波動(dòng)的正弦速度信號，其最大值為2050r/min，最小值為1950r/min。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，在Scope2中可以看到設(shè)定的轉(zhuǎn)速與實(shí)際的轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的向AD芯片發(fā)送的數(shù)值所代表的曲線圖，如圖9所示。

根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的數(shù)值和實(shí)際轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的數(shù)值，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，其輸出也應(yīng)該是正弦曲線。對于PID調(diào)節(jié)的結(jié)果，可以通過Scope1進(jìn)行觀測，如圖10所示。由此可見，PID調(diào)節(jié)功能的仿真與所預(yù)計(jì)的速度值基本吻合。

6 結(jié)束語

壓力機(jī)作為工業(yè)常用的鍛壓設(shè)備之一，具有極廣的應(yīng)用前景。該文著眼于利用32位DSP和伺服電機(jī)來控制壓力機(jī)，能夠有效提高壓裝效率，使產(chǎn)品品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。該文通過對控制系統(tǒng)進(jìn)行Simulink建模，針對電子壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了在恒速運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況。系統(tǒng)采用經(jīng)典PID控制算法進(jìn)行控制，通過在Simulink環(huán)境下進(jìn)行軟件仿真，對PID控制恒定速度運(yùn)行方式進(jìn)行了仿真研究。對于電子壓力機(jī)滑塊的恒定速度控制模式，通過對Simulink模型進(jìn)行仿真，觀察正弦波所設(shè)定的電機(jī)速度值的波動(dòng)現(xiàn)象，可以得出速度控制代碼的PID調(diào)節(jié)是有效的結(jié)論。實(shí)踐證明，該方案對于縮短伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度、穩(wěn)定性和智能化以及實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的實(shí)時(shí)性具有重要的實(shí)用價(jià)值，值得推廣。

[1] 呂 言，周建國，阮 澍.最新伺服壓力機(jī)的開發(fā)以及今后的動(dòng)向[J].網(wǎng)絡(luò)雜志，2006（4）：1-2.

[2]李 林.基于伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].鍛壓技術(shù)，2007（4）：3-4.

[3] 兀 偉，王航宇，郗柯慶.基于C8051F040的壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（5）：107-108，114.

[4] 趙升噸，王二郎，尚春陽，等.JH23-63型沖床的PLC控制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2001，23（4）：59-62.

[5] 樊紅梅，孫 宇，李 林.伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].鍛壓技術(shù)，2007，32（4）：113-116.

[6] 莫建華，鄭加昆，呂 言，等.伺服壓力機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007（5）：19-21.

[7] 蘇奎峰，呂 強(qiáng)，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8] 張家田，李 強(qiáng)，嚴(yán)正國.基于TMS320F2812便攜式動(dòng)態(tài)信號分析儀[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（4）：39-41.

[9] 劉劍科，王艷芬，王勝利.MATLAB Link for CCS Development Tools在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用 [J].信息技術(shù)與信息化，2005（4）：52-54.

[10]鄔可軍，朱銘鎬，曹建樹.DSP實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[11]陳昌明.基于DSP的通用運(yùn)動(dòng)控制器RCP開發(fā)方法的研究[D].上海：華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2008.

[12]關(guān)懿峰.基于嵌入式目標(biāo)的DSP系統(tǒng)開發(fā)及其在材料試驗(yàn)機(jī)伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].上海：華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2006.