数字伺服压力机控制系统的研究

第34卷第6期Vol 134　No 1

6

　

FORGING &S TAMPING TECHNOLOGY

2009年12月

Dec.2009

数字伺服压力机控制系统的研究

叶春生,侯文杰,张军伟,莫健华,樊自田

(华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074)

摘要:根据曲柄连杆压力机工艺要求和伺服电机控制的原理,提出基于现场总线的ARM 控制系统并对控制系统的软硬件及其组成进行了分析和研究。由于采用低成本、高性能32位的ARM 控制器,系统可根据压力加工控制的要求,重新架构控制系统并由CAN 总线实现通讯和并行控制,其中每个子功能模块都具有独立的控制和通讯功能,易于组态复杂控制系统。

关键词:数字化;伺服压力机;控制系统;现场总线

DOI :1013969/j 1issn 1100023940120091061031

中图分类号:TG 315 文献标识码:A 文章编号:100023940(2009)0620117206

R esearch on control system of numerical crank servo press

YE Chun 2sheng ,H OU Wen 2jie ,ZHANG Jun 2w ei ,MO Jian 2hu a ,FAN Zi 2tian

(State Key Laboratory of Material Process and Die and Mould Technology ,Huazhong University of Science and

Technology ,Wuhan 430074,China )

Abstract :According to the features and processing requirement of crank and connecting rod and servo motor control principle ,the ARM control system based on the field 2bus was designed ,and the software ,hardware and composition of the control system were introduced.Because of the low 2cost ,high 2performance 322bit core ARM controller ,the sys 2tem can be reconstructed according to needs of crank processing ,which can communicate via CAN bus and realize multi 2parallel control.Every sub 2f unction modules has a independent control and communication function.It is easy to configurate a complex control system.

K eyw ords :numerical ;servo press system ;control system ;field 2bus

收稿日期:2009206202;修订日期:2009208202基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875093)作者简介:叶春生(1962-),男,博士,副教授电子信箱:csye @hust 1edu 1cn

近年来,伺服控制系统已经广泛应用于材料加工,材料加工控制系统和通用机床数控技术在许多方面是相同的,因而在材料加工的许多领域可以直接采用现有的通用机床数控系统实现。但对于一类需要采用模拟信号如温度、压力或能量等调节时,采用现有的数控系统比较难于实现。如文献[3]研究的叠层制造系统(LOM ),除要求有215轴联动外,还需要送纸、收纸、热压粘接、叠层的厚度和热压的温度等参数的调整;文献[4]的熔丝沉积成形系统(FDM ),其特殊的要求是送丝电机的控制和成形室和挤出头温度的调整;文献[5]和文献[6]的无模板料成形和文献[7]的锻压设备吨位检

测仪等对控制系统也都有其特殊的要求。因此,研制适合材料加工的控制系统,对提高材料加工技术的水平和加工装备的数字化能力具有十分重要的现

实意义。

由于采用交流伺服电机驱动,在其理论和应用等方面,还有许多有待解决的技术问题。文献[1]和[2]介绍伺服压力机开发以及今后的动向,文献[1]将伺服压力机有待解决的技术问题概括为如下

几个方面:(1)大功率交流伺服电机及其控制技术;(2)无飞轮压力机传动系统设计;(3)调速能量的回收;(4)重载高效螺旋传动技术;(5)基于伺服压力机的成形工艺优化。上述几个方面侧重于技术,而建立伺服压力机的控制的数学模型及其理论分析工具也是有待解决的一个重要问题,本文重点研究伺服曲柄压力机的伺服控制系统,为更好的控制伺服压力机提供依据。

1　曲柄连杆伺服压力机控制系统的组成

由图1可知,曲柄连杆伺服压力机控制系统通常是将曲柄连杆压力机[13]的动力电机转换为伺服电动机驱动。伺服电机驱动主要由CNC 、伺服控制软件、功率放大、电机和传感器构成[8212]。伺服压力机工作方式与传统压力机不同,它是在需要

动力时起动,不需要动力时停止,而且还有空上行、空下行和工作行程的控制策略问题,还能以计算机控制交流伺服电机为动力,通过螺旋、曲柄连杆、肘杆或其它机构将电机的旋转运动转化

为滑块所需的直线运动。其优点包括:对滑块直接控制就可达到高定位精度、可任意控制滑块的速率和运动曲线、提高材料可成形性、降低噪音、节约能源

。

图1　曲柄连杆压力机ARM 控制系统原理图

Fig 11　ARM control system diagram of crank connecting link press

伺服电机M 控制的关键是通过STM32和逆变

电路供给PWM 的脉冲,测量是通过CT 检测电流和增量式光电编码器检测伺服电机的转速和伺服电机旋转角度。HM I 人机界面设定的控制参数通过CAN 总线传送到STM32系统中,由STM32产生控制策略控制伺服电动机的运动。整流模块产生直流电,供给逆变模块产生电压和频率变化的正弦交流电以改变伺服电动机的电流和转矩。

文献[2]研究了采用上下冲裁、平压以及对压冲裁同等的无毛刺冲裁法。传统机械压力机(图2a )低速承受扭矩的能力差、生产率低,不易于降低冲裁速度。对于伺服压力机,如图2b 所示,可控制滑块在材料被冲剪开始断裂的瞬间,降低运动速度。这样既不会大幅降低生产率又能实现低噪声冲裁加工。而且如图2c 所示,如果使滑块一边产生振动一边进行冲裁,可使噪声降得更低。但是,由于这些方法需要高成本的高精度模具或级进模具,使得应用范围受到限制。然而,在伺服压力机上,只要采用传统的设置有反压装置的单次冲裁模具和如图2所示的程序运动模式,则只用一道工序就能冲出无毛刺的工件。

从图3可以看出,虽然只需要一道工序即能得到无毛刺的工件,但要实现图3中所示的s 随时间t 的变化规律,必须能有效地控制伺服电机转动的转速和力矩,并且在一个周期中,转速不是恒定的。为建立理想的控制规律,首先必须建立伺服电机的控制模型并有效的实施对伺服电机的控制,

这是本

文研究的重点。

2　伺服电机控制的基本原理

转子磁场定向的矢量控制系统与直流电动机控制系统相似,是一个多环(闭环)控制系统,控制系统框图如图4所示。

811锻　压　技　术 第34卷

图4　伺服电机控制系统框图

Fig14　Block diagram of servo motor control system

对于电压源逆变器,d,q轴定子电压与定子电流之间的关系,通过闭环控制系统,以及带积分校正和饱和上限的PI调节器实现。转子磁通观测是矢量控制技术的核心,本文采用了转速电流模型,根据测量可得到ψr和ωr,ωr再经积分,即得转子磁链的相位角θs,这个相位角同时就是同步旋转变换的旋转相位角。矢量控制系统实现了定子电流励磁分量i ds和转矩分量i qs的解耦,使基频以下的转子磁链ψr保持不变,电磁转矩T e与转矩电流i qs 成正比,本文采用ωr恒定的转子磁场定向的矢量控制。

图4中,通过测量得到电机电流为i as,i bs,i cs。由式(1)的Clarke变换可以得到iα,iβ。

iαiβ=

1

-1/3

2

/3

i as

i bs

i cs

(1)

由式(2)的Park变换可以得到i qs,i

ds。

i ds i qs =

cosθr-sin

θr

sinθr

co sθr

iα

iβ

(2)

由式(3)的Park

逆变换可以得到vα,vβ。

vαvβ=

　cosθr sin

θr

-sin

θr co sθr

v ds

v qs

(3)

最后,通过vα,vβ可以计算供给逆变电路的SV PWM,以实现控制伺服电机PMSM。

3　基于A RM控制系统的实现

311　控制系统的硬件设计

本文采用的STM32系列的ARM芯片, STM32是意法半导体于2007年6月推出的一款32位的微控制器,该控制器所用微处理器是A RM公司开发的Cortex2M3内核。Cortex2M3进行了多项技术改进,使得代码执行速度更快,同时能耗更低。在外设方面,该型号包含有两个12位逐次逼近型的模拟/数字转换器,转换时间最高为1ms;3个U S2 AR T通讯口,支持全双工的数据交换,提供宽范围波特率的选择,最高可以达到415Mbp s;两个SPI 通讯口,支持18M Hz的主从控制模式;两个I2C 总线接口,支持芯片间的通讯与传输;3个16位的通用定时器,每个定时器都有4路通道,每个通道有3种工作模式选择,即输入捕获模式、输出比较模式、PWM控制模式;一个16位的高级定时器专门用于电机向量驱动,其中有6个功能通道,并且能设置死区时间。此外,还有常用的U SB和CAN 总线接口,以及7个DMA通道,用于数据的自动

传输。由STM32构成的伺服电机控制硬件框架图如图5所示。

图5　伺服电机控制硬件框架图

Fig15　Block diagram of servo motor hardware control

硬件部分根据实现的功能分为:核心控制板、伺服电机控制端口、A/D电流、电压检测和编码器的捕获端口、RS2232、L IN和CAN通讯口、电源接口等。

(1)核心控制板。以STM32F103VB H6芯片为主体,集成所需的闪存、8M Hz的标准外部晶振以及其他辅助器件。

(2)电机控制端口。控制信号包含PWM脉冲信号、方向控制信号、驱动器使能信号等。其中, PWM脉冲信号有控制器中定时器的指定引脚产生,而方向信号和使能信号由普通的IO引脚产生。电机控制信号的硬件电路中加入了光电耦合器,既可以实现电平转换,又可以隔离内外电路,防止电气干扰。

(3)编码器捕获接口。编码器的输出信号为2路差分信号,输出端的信号则直接接入到STM32芯片的指定引脚上。

(4)模拟信号输入口。利用内部的AD转换器接收反馈的转速信号、电流信号和电压信号。

(5)通讯端口。包括U SRA T串行口与上位机通讯、L IN总线连接外设,CAN总线用于传送数据

911

第6期叶春生等:数字伺服压力机控制系统的研究

的通讯。312　电机控制软件设计

软件部分采用Real 2View MD K (Microcon 2t roller Develop ment K it )进行程序代码编写,MD K 提供了启动代码生成导向,提高开发效率,

使开发人员主要工作集中在功能程序的开发上;提供了强大的设备模拟器,在无硬件平台上也能进行代码开发,同时可以反映一些在实际硬件电路中难得捕捉到的毛刺、干扰等,便于程序开发时的跟踪调试;提供了性能分析工具,在设备模拟器状态,反映各个程序段运行时间和次数,方便检测一些错误和优化程序结构;集成了FL ASH 编程模块,方便了硬件环境下的在线调试,大大提高了编程效率。图6表示的是伺服电机控制软件框架

。

图6　伺服电机控制软件框架

Fig.6Block diagram of servo motor software control

STM32的程序采用模块化设计思想,包含的模

块有系统模块、电机控制模块、编码器模块、通讯模块。

(1)系统模块,实现系统的初始化和基本功能的配置。系统模块主要包括系统时钟的配置、嵌套向量中断的配置、系统定时器的初始化3个方面。系统时钟是整个系统正常运行的基础。嵌套向量中断的配置用于协调内外中断的优先级。系统定时器的初始化决定了编码器的速度信号的采集频率。

(2)电机控制模块,电机控制模块主要包括端口设置、矢量控制模块、PWM 模块3部分。PWM 模块作负责生成指定参数的脉冲信号,同时当一段数据扫描完成后,还需要根据编码器的反馈信号与原始数据进行比较,计算运动位置的偏差,产生运动修正操作。若还有未执行的扫描数据,则产生新的扫描脉冲信号。

(3)编码器模块,实现对编码器信号的捕捉,确定电机的运动位置和扫描速度。编码器模块主要由编码器捕获接口的初始化、外部中断处理、系统定时器中断3个部分组成。外部中断处理程序实现

本模块的主要功能,负责编码器信号的采集和识别,进而确定电机的位置信息;系统定时器中断负责确定电机运行速度。

(4)通讯模块,实现下位STM32与上位工业控制机间的通讯,完成数据的接收和发送。通讯模块主要包括通讯接口的配置、串行口通讯、CAN 总线的通讯3个部分。串口通讯负责与上位工业控制机进行数据交流,而CAN 总线用于芯片之间的数据交换。

在程序流程中,4个模块相互作用,协调工作,共同完成数控运动扫描操作,软件结构如图7所示

。

图7　软件结构图

Fig 17　Software structure chart

313　控制系统的通讯硬件电路

STM32内含CAN 通信模式,CAN 通信单元

接收和发送采用500Kb ?s -1的波特率,接收的数据帧如果正常,黄色的L ED 闪烁直到通信完成。本文采用查询的方式工作,程序的运行环境是意法半导体公司的STM32F103系列芯片,接口芯片可采用82C250,本文采用的是L9616,功能与82C250是相同的,具体的硬件电路如图8所示。314　控制系统的通讯软件

STM32的CAN 210B 内核模块可以完全自动地

接收和发送CAN 报文,且完全支持标准标识符(11位)和扩展标识符(29位)。控制、状态和配置寄存器通过各自的应用程序进行设置,可以配置CAN 参数,如波特率、滤波等;请求发送报文;处理报文接收;管理中断;获取诊断信息等。本文介绍STM32的初始化程序、报文的发送和接收程序的设计。

(1)初始化模式。对于STM32系统的初始化包括如下几个过程:系统时钟的初始化RCC _Con 2figuration ();中断向量的初始化NV IC _Configu 2ration ();外部接口的初始化GPIO _Configuratio n ();CAN 收发初始化,注意在CAN 初始化过程中一定要求初始化为正常模式;CAN _Init ()和

021锻　压　技　术 第34卷

图8　CAN通信电路设计

Fig18　Communication circuit s design of CAN

CAN_Interrupt()定义传送波特率为500Kb?s-1正常模式和中断模式。

(2)CAN报文的发送。发送报文的流程为:应用程序选择一个空发送邮箱;设置标识符,数据长度和待发送数据;然后对CAN_TIxR寄存器的TXRQ位置1,来请求发送。报文发送的流程,还包括了对由于发送缓冲区未释放而无法发送的报文的调度,该情况下使用CAN控制器的中止发送功能。

当发送缓冲区被锁定时,CPU必须将报文临时保存到数据存储器中,并置位软件标志“还有报文”用于指示有新的报文等待发送。

当发送缓冲区被释放时,CPU将新报文写人发送缓冲区、并把发送请求标志TXRQ置1。在发送结束时CAN控制器产生一个发送完成中断,硬件相应地对CAN_TSR寄存器的RQCP和TXO K位置1,来表明一次成功发送。

(3)CAN报文的接收。STM32接收到的报文,被存储在3级邮箱深度的FIFO中。FIFO完全由硬件来管理,节省了CPU的处理负荷,简化了软件并保证了数据的一致性。应用程序只能通过读取FIFO输出邮箱,来读取FIFO中最先收到的报文。

在CAN协议里,报文的标识符不代表节点的地址,而是跟报文的内容相关的。因此,发送者以广播的形式把报文发送给所有的接收者。节点在接收报文后,根据标识符的值软件决定是否需要该报文:如果需要,就拷贝到SRAM里;如果不需要,报文就被丢弃且无需软件的干预。为满足这一需求, CAN为应用程序提供了14个位宽可变的、可配置的过滤器组(13～0),以便只接收那些软件需要的报文。硬件过滤的做法节省了CPU开销,否则就必须由软件过滤从而占用一定的CPU开销。每个过滤器组x由2个32位寄存器,CAN_FxR0和CAN_FxR1组成。

315　基于CAN总线的并行控制

根据压力加工的要求,对于复杂零件加工,通常需要多个压力机并行工作完成,CAN网络给并行加工提供了高可靠性和低成本的方案。在CAN网络中连接的各个节点,通过网络连接起来,CAN网中的报文除了应用层报文外,网络管理和诊断报文也被引入。CAN提供一个增强的过滤机制来处理各种类型的报文。此外,应用层任务需要更多CPU 时间,因此报文接收所需的实时响应程度需要减轻。接收FIFO的方案允许,CPU花很长时间处理应用层任务而不会丢失报文。构筑在底层CAN驱动程序上的高层协议软件,要求跟CAN控制器之间有高效的接口。如图9所示

。

图9　CAN网并行工作的拓扑结构

Fig19　Topology st ructure of parallel workflow in CAN net

4　结语

本文创新点在于应用STM32建立了曲柄连杆伺服压力机的控制系统,并提出了伺服曲柄压力机控制系统的实现模式。为解决曲柄伺服压力机的滑块高定位精度控制提供了依据。基于CAN总线接口的控制模式能实现多台伺服压力机的并行工作,以提高压力机的工作效率和加工过程的自动化。可

(下转第125页)

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第6期叶春生等:数字伺服压力机控制系统的研究

图8　异型坯料初始网格剖分结果比较

(a)传统二维平面网格剖分算法

(b)基于边界裁剪的初始坯料网格剖分算法

Fig18　Result comparison of non2conventional initial blank

mesh generations

(a)Traditional2D finite element mesh generation met hod

(b)Im proved initial blank mesh generation method on boundary trimm ing

3　结论

针对传统二维平面有限元网格剖分算法无法满足板料成形模拟中初始坯料网格质量要求的不足,提出了一种基于边界裁剪的初始坯料网格生成算法,可以有效保证网格良好的单元形态和最小单元边长要求。目前,基于该算法的坯料网格剖分模块已成功应用于Fastamp软件基于动力显式算法的全工序模拟模块中,取得了良好的实际应用效果。

参考文献:

[1]　Frey P J,Borouchaki H.Geometric evaluation of finite ele2

ment surface meshes[J].Finite Element s in Analysis and

Design,1998,31(1):33253.

[2]　刘罡,林忠钦,张卫刚.板料网格模型对薄板成形仿真计算

结果的影响分析[J].塑性工程学报,2000,3(7):26229.

[3]　Yan Dengjun,Huang Xueliang,Hu Mingqiang.Self adaptive

generate algorit hm of finite element mesh in two dimension

arbit rary plane domain[J].Micromotors Servo Technique,

1999,32(3):11214.

[4]　胡恩球.有限元网格生成方法发展综述[J].计算机辅助设

计与图形学学报,1997,9(4):3782383.

[5]　Thacker W C.A brief review of techniques for generating ir2

regular computational grids[J].Int.J.Numer.Met hods

Eng.,1980,15(9):133521341.

[6]　杜亭,柳玉起,章志兵,等.基于U GS NX的板料成形快速

仿真系统[J].锻压技术,2008,33(4):1452149.

[7]　谢邵辉,柳玉起,杜亭.冲压成形模拟过程中的工艺切口算

法及应用[J].中国机械工程,2008,(10):83285,114.

(上接第121页)

控制滑块实现任意的速率和运动曲线,提高材料可成形性,降低噪音,节约能源。从建立的伺服压力机控制系统中可以看出完善伺服电机的控制、计算能量的极小化、获得精确的冲压能量是有待进一步研究的问题。

参考文献:

[1]　孙友松,周先辉,黎勉,等.交流伺服压力机及其关键技术

[J].锻压技术,2008,33(4):128.

[2]　莫健华,郑加坤,古嗣伸裕,等.伺服压力机的发展现状及

其应用[J].锻压装备与制造技术,2007,42(5):19221. [3]　叶春生,钟庆.一种经济型快速原型制造系统的开发及应用

[J].计算机辅助设计与制造,2000,(9):65266.

[4]　罗晋,叶春生,黄树槐.FDM系统的重要工艺参数及其控

制技术研究[J].锻压装备与制造技术,2005,(2):77280.[5]　李军超,叶春生,莫健华.基于PMAC的板材无模快速成

形机控制系统研究[J].锻压技术,2004,29(5):53255. [6]　莫健华,叶春生,黄树槐,等.金属板料数控无模成形及

快速制模[J].电加工与模具,2002,(1):15218.

[7]　易先军,叶春生.锻压设备吨位测量仪的研制[J].仪表技

术,2005,(2):46248.

[8]　肖新皇,叶春生,王从军,等.三维激光扫描系统中随动控

制技术的研究[J].机床与液压,2004,(12):57258. [9]　Fitzgerald A E,Charles K ingsly J r,Stephen D Umans.电机

学[M].第6版.刘新正,苏少平,高琳,等,译,北京:

电子工业出版社,2006.

[10]　渝钦.控制电机[M].北京:机械工业出版社,1981.

[11]　陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M].2版.北京:机械工

业出版社,2005.

[12]　周凯.PC数控原理、系统及应用[M].北京:机械工业出

版社,2006.

[13]　何德誉.曲柄压力机[M].北京:机械工业出版社,1981.

521

第6期杜　亭等:基于边界裁剪的初始坯料网格剖分算法