基于DSP控制的液压注塑机伺服控制系统
2009-08-04
作者：李军生
摘 要： 介绍了一种基于数字信号处理器TMS320F2812控制的液压注塑机伺服控制系统的控制原理、系统硬件组成和软件设计。仿真结果表明，该系统电路简单、工作可靠、动态响应性能和静态性能良好，具有较高的性价比。
关键词： 永磁同步电动机； 伺服控制系统； 转子磁链定向的矢量控制
液压式注塑机在精密成型、复杂形状制品的加工方面有许多独特优势，但为了保证加工精度就必须采用伺服阀，因而增加了成本。在加工的整个生产过程中，为了保证每个阶段的流量和压力，电机负载变化较大，致使油泵电机的容量比实际需要高出很多，造成电能的极大浪费。随着变频技术和电机制造技术的不断发展，近年来出现了变频节能型注塑机，其控制系统的模式为：人机界面+PLC+变频器+三相异步电机[1]，以此达到节能的目的。但由于采用三相异步电机和通用变频器，控制与响应都较慢，电机的加速与减速时间较长(2 s～3 s)，无法满足快速加工的要求；同时，由于对系统中的流量和压力没有实现闭环控制，加工精度无法保证。由于永磁同步电动机（PMSM）采用了高能永磁体，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、低惯性、快响应、高功率因数、过载能力强、低损耗、高效率等优点，已广泛应用于工业机器人、数控机床、柔性制造系统等各种自动化设备领域，成为高精度、微进给伺服系统的最佳执行元件之一。DSP控制器的大量使用，改善了系统性能，提高了系统性价比。为了满足液压注塑机快速、精密、节能的要求，本控制系统采用TMS320F2812作为主控芯片，构成“上位机+DSP+永磁同步电动机”流量与压力双闭环的系统模式，实现了基于DSP的液压注塑机伺服系统的控制。
1 控制原理
对于某一型号的注塑机而言，由于油缸的活塞面积和油泵的技术参数已经确定，因此油泵的输出流量与电机的转速为线性关系，且油路内的压力与电机的输出转矩近似正比[1]。只要根据注塑机的工艺要求，将各工序所需流量换算成转速给定信号，各工序所需的压力作为电机的负载，随工作进程的变化，及时对永磁同步电动机的转速和电流进行调节和控制，就能实现全程自动跟踪控制，达到液压注塑机伺服控制的目的。
永磁同步电动机的调速控制，通常采用按转子磁链定向的矢量控制，只要保持is与d轴垂直，电机的转矩方程为[2]： Td=pmΨr isq=pmΨr isd式中，pm为转子磁极对数，Ψr为转子磁场在定子上的耦合磁链，isd、isq为定子电流矢量is在d、q轴的分量；通过控制isq来控制转矩，实现对电机转速的控制，从而达到控制液压注塑机油路内流量的目的。系统的控制原理图如图1所示。该系统采用双闭环控制模式，即转速环和电流环控制模式。首先，由上位机（PLC）根据注塑机的运行状况，将该工序所需的流量以通信的方式传送给DSP，DSP响应后，经转换作为速度环的给定。然后与检测到的转子速度信号相比较，输出控制转矩的电流分量isqref，电流分量给定信号与经过坐标变换的电机实际电流分量相比较，通过电流调节器的PI运算，其输出量经Park逆变换得到Vsαref、Vsβref，空间SVPWM模块根据这2个信号计算PWM的占空比，生成PWM波,驱动逆变器，产生频率和幅值可调的三相正弦电流输入电机定子。驱动电机以一定的转速运行，对注塑机所需的流量和压力进行控制，从而实现对注塑机全程自动跟踪，达到伺服控制的目的。
2 系统的硬件电路与功能[2-3]
系统主要由主电路、DSP控制电路、检测反馈与保护电路组成，其原理框图如图2所示。
主电路由整流器、IPM逆变器、电机组成。IPM采用三菱公司智能功率模块PM20CSJ060，其内部有6只高速低损耗IGBT，组成三相全桥逆变电路，并且内部集成有驱动电路，并有过电压、过电流、过热及欠电压等故障保护电路。当发生故障时，IPM发出信号,通过TMS320F2812的外部中断PDPINT封锁DSP输出PWM脉冲，从而保护IPM免受损坏。为避免电机制动时产生过高的泵生电压，通过直流侧电压检测，将电压检测信号接入DSP的I/O口，进行过电压的软件保护控制，通过泄放回路将制动时的高能量泄放。
控制电路主要由上位机、TMS320F2812、输入/输出接口电路等组成。TMS320F2812采用高性能的静态CMOS技术,主频达150 MHz(时钟周期6.67 ns)，提高了系统实时控制的能力；片内128 K×16 bit的Flash，128 K×16 bit ROM，18 K×16 bit的SARAM，1 K×16 bit 1次可编成的存储器OTP。高效的代码转换功能(支持C/C ++和汇编)，流水线采样最高速率为60 ns，12 bit A/D多达16个，PWM输出通道多达12个，使控制系统的价格大大降低而且体积缩小、可靠性提高。
电机相电流检测是通过电流型霍尔传感器和电阻采样后转换为电压信号，再经AC-DC变换为0～3 V的电压信号接入DSP的A/D通道引脚。系统采用的光电编码器为每周2 500脉冲，有20针的标准接口，提供6路脉冲信号。脉冲经QEP电路4倍频后，用来计算转子位置和转速。
3 系统的软件设计
系统软件主要由主程序、运行控制子程序等组成，分别如图3、图4所示。主程序完成硬软件初始化、故障检测及处理、通信、运行等。硬件初始化主要完成DSP 的设置，如看门狗、时钟、计时器、 ADC、SCI、I/O、事件管理(EV)等的设置。软件初始化主要对软件变量赋予初值，DSP通过SCI串口与上位机(PLC)保持通信,接收上位机传送的命令,更新变量和标志，实现实时追踪控制。运行控制子程序主要完成对永磁同步电动机按转子磁链定向的变频矢量控制,实现对转速电流的双闭环控制。
应用Matlab建立PWSM控制系统仿真模型,仿真参数设置：永磁同步电动机定子相感抗为4.8 mH，定子相电阻为2.1 Ω，额定转矩为2.2 Nm，额定转速为3 000 r/min，额定功率这690 W。通过对注塑机合膜阶段的给定设置，仿真结果如图5所示。从仿真曲线可以看出，电机转速和相电流在注塑机的三级合膜阶段中, 20 ms~100 ms即可达到各级所需的转速值和电流值。表明采用高速的TMS320F2812 DSP芯片,在实现对电机的速度和电流进行矢量控制的同时,实现了对注塑机工作流量和压力的控制，系统具有良好的动态响应性能和静态性能，提高了系统的控制速度和精度，并使系统具有硬件简单、过载能力强和性价比高等优点。
参考文献
[1] 李军生. SZ-1000A双动模液压注塑机的智能控制[J]. 电气传动，2005(5).
[2] 韩安太，刘峙飞，黄海. DSP控制其原理及其在运动控制系统中的应用[M]. 北京：清华大学出版社，2003.
[3] 王晓明, 王玲. 电动机的DSP 控制——TI公司DSP应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社，2004.