1引言

隨著制造業(yè)朝著生產(chǎn)規(guī)模化、產(chǎn)品個(gè)性化的方向發(fā)展,產(chǎn)品型號(hào)變化加快,生產(chǎn)批量相對(duì)變小,多種型號(hào)共線生產(chǎn)、覆蓋件大型化,一體化的趨勢(shì)日益明顯,要求壓力機(jī)不僅能夠高速度、高精度、大負(fù)載的運(yùn)轉(zhuǎn),而且應(yīng)具有更大的柔性,能迅速、方便地改變輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以上這些不斷提高的加工工藝和生產(chǎn)條件的多樣化都促進(jìn)了鍛壓設(shè)備行業(yè)的重大變革。在需求的推動(dòng)下,目前,世界上出現(xiàn)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的伺服壓力機(jī),能夠滿足塑性加工、難成形材料成形、復(fù)雜形狀零件成形、復(fù)合成形以及高精度成形等成形工藝的要求。伺服壓力機(jī)采用交流伺服電機(jī)代替普通交流電機(jī),去除傳統(tǒng)曲柄壓力機(jī)上的飛輪和離合器,使得壓力機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化,可靠性增強(qiáng)。所以研制適合不同材料加工要求的壓力機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng),對(duì)提高材料加工技術(shù)的水平和加工裝備的數(shù)字化能力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

伺服壓力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及對(duì)控制系統(tǒng)的要求與傳統(tǒng)壓力機(jī)比較,伺服壓力機(jī)取消了原有壓力機(jī)的飛輪和離合器,保留了曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),其傳動(dòng)系統(tǒng)采用一級(jí)齒輪減速系統(tǒng),將其運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給壓力機(jī)的曲軸,由曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的往返運(yùn)動(dòng)。

同時(shí),伺服壓力機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)有更高的要求,一般要求控制系統(tǒng)滿足:可編程的滑塊運(yùn)動(dòng)曲線,適應(yīng)不同的加工對(duì)象、不同材質(zhì)的加工工藝;滑塊位置和速度的精確控制;快速的響應(yīng)。

2、控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述伺服壓力機(jī)的功能要求,本系統(tǒng)選用了“工控機(jī)+ARM運(yùn)動(dòng)控制卡"的硬件設(shè)計(jì)方案。工控機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)部分的工作,完成運(yùn)動(dòng)曲線的讀取和設(shè)置,工藝的優(yōu)化以及運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的顯示,ARM運(yùn)動(dòng)

控制卡負(fù)責(zé)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)部分,完成伺服壓力機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)邏輯的處理。ARM運(yùn)動(dòng)控制卡與工控機(jī)之間、采用成熟的串行通信進(jìn)行通信。采用stm32系列的ARM芯片,STM32是意法半導(dǎo)體推出的一款32位的微控制器,該控制器所用微處理器是ARM公司開(kāi)發(fā)的Cortex2M3內(nèi)核。CortexM3進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改進(jìn),使得代碼執(zhí)行速度更快,同時(shí)能耗更低。在外設(shè)方面,該型號(hào)包含有兩個(gè)12位逐次逼近型的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時(shí)間最高為1ms;3個(gè)USART通訊接口,支持全雙工的數(shù)據(jù)交換,提供寬范圍波特率的選擇,最高可達(dá)到415Mbps;兩個(gè)SPI通訊口,支持18MHz的主從控制模式;兩個(gè)I2C總線接口,支持芯片間的通訊與傳輸;3個(gè)16位的通用定時(shí)器,每個(gè)定時(shí)器都有4路通道,每個(gè)通道有3種工作模式選擇,即輸入捕獲模式、輸出比較模式、PWM控制模式;一個(gè)16位的高級(jí)定時(shí)器專門用于電機(jī)向量驅(qū)動(dòng),其中有6個(gè)功能通道,并且能設(shè)置死區(qū)時(shí)間。此外還有常用的USB和CAN總線接口以及7個(gè)DMA通道,用于數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸?；赟TM32的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理,該控制系統(tǒng)可以分為PWM產(chǎn)生,脈沖計(jì)數(shù),IO控制和串口通信四個(gè)部分。由于本系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī),控制信號(hào)包括PWM脈沖信號(hào),電機(jī)方向信號(hào)和伺服使能信號(hào)等,PWM脈沖信號(hào)由STM32專用的定時(shí)器產(chǎn)生,STM32支持PWM脈沖的頻率和占空比在線調(diào)整,其預(yù)裝在寄存器可以將新設(shè)定值在計(jì)數(shù)溢出后自動(dòng)裝載影子寄存器,同時(shí)更新周期計(jì)數(shù)器和預(yù)分頻器。方向和使能信號(hào)由普通IO口產(chǎn)生,STM32產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離輸出,一方面防止了電氣干擾,同時(shí)完成電平轉(zhuǎn)換,提高了IO口的驅(qū)動(dòng)能力;

增量式脈沖編碼器輸出A、B、Z三路差分信號(hào),經(jīng)過(guò)光電隔離送入STM32的定時(shí)器,本系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)生的反饋脈沖計(jì)數(shù),獲取電機(jī)的位置和速度,完實(shí)現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)控制;

IO控制模塊包括輸入IO和輸出IO,輸入輸出IO經(jīng)過(guò)繼電器將信號(hào)送入stm32的普通IO口,輸入IO主要包括電機(jī)的使能和失能,伺服激磁等信號(hào),輸出IO用作電機(jī)運(yùn)行異常的報(bào)警信號(hào),異常信號(hào)經(jīng)繼電器送入IO口產(chǎn)生中斷信號(hào),主控制器根據(jù)相應(yīng)的中斷信號(hào),轉(zhuǎn)入中斷子程序執(zhí)行;

STM32有3個(gè)USART通訊接口,支持全雙工的數(shù)據(jù)交換,提供寬范圍波特率的選擇,可以滿足此處的通信要求,采用串口與上位機(jī)通信,獲取上位機(jī)的指令和運(yùn)動(dòng)參數(shù),并返回滑塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3、控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1軟件的總體結(jié)構(gòu)

軟件部分采用Real2ViewMDK(Microcon-trollerDevelopmentKit)進(jìn)行程序代碼編寫,采用模塊化的編程思想,獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)置模塊,編碼器反饋模塊,定時(shí)器模塊,通信模塊和PID閉環(huán)控制模塊的程序設(shè)置,程序的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2軟件結(jié)構(gòu)圖

圖3主程序流程

3.2主程序流程

在電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分,由于采用串口通信傳遞電機(jī)的控制參數(shù),因而需要定義串口通信的數(shù)據(jù)格式,在此處的程序設(shè)計(jì)中,把數(shù)據(jù)幀劃分為命令控制字、狀態(tài)查詢字(需下位機(jī)返回?cái)?shù)據(jù))和電機(jī)參數(shù)字。以上位機(jī)傳遞運(yùn)動(dòng)參數(shù)為例,上位機(jī)發(fā)送位置指令,控制器檢測(cè)是否收到數(shù)據(jù),根據(jù)收到的數(shù)據(jù)給驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào),控制電機(jī)精確的運(yùn)行到指定位置,如果出現(xiàn)誤差,則進(jìn)行誤差補(bǔ)償,系統(tǒng)程序的流程如圖3所示。

3.3轉(zhuǎn)子位置、角速度檢測(cè)

脈沖編碼器模塊主要完成位置和速度的計(jì)算,實(shí)現(xiàn)位移和速度的閉環(huán)控制。增量式編碼器其輸出信號(hào)為脈沖信號(hào),其脈沖個(gè)數(shù)與相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移有關(guān),而與旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置無(wú)關(guān),其精度較高,而且其成本相對(duì)較低。如果預(yù)先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)位置,則可以利用增量式編碼器實(shí)現(xiàn)絕對(duì)式編碼器的功能,即可以測(cè)出旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置。而速度的計(jì)算有兩種方法,一種是采用f/v轉(zhuǎn)換電路,將頻率轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)速,另一種是在給定的時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)直接完成速度的計(jì)算,考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性,本處采用后一種方法實(shí)現(xiàn)。

3.4定時(shí)器模塊

在整個(gè)控制程序中,PWM脈沖的產(chǎn)生和控制是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),能否可靠的產(chǎn)生實(shí)時(shí)可調(diào)的PWM脈沖關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和精確度。在STM32中有2種定時(shí)器:通用定時(shí)器和高級(jí)定時(shí)器,其中T1M1為高級(jí)定時(shí)器,TIM2、TIM3和TIM4為通用定時(shí)器。通用定時(shí)器由一個(gè)16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器構(gòu)成,該計(jì)數(shù)器可以通過(guò)可編程預(yù)分頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通用定時(shí)器可設(shè)置成16位向上、向下、中心3種自動(dòng)裝載的計(jì)數(shù)模式。通用定時(shí)器最高可以配置72MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘,每個(gè)通用定時(shí)器有4個(gè)16位高精度的捕獲/比較通道,可以配置輸出6路互補(bǔ)的PWM脈沖。

該控制系統(tǒng)采用向上計(jì)數(shù)的PWM模式脈沖驅(qū)動(dòng)電機(jī)。脈沖寬度調(diào)制是一種對(duì)脈沖信號(hào)的電平寬度進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高精度定時(shí)器的應(yīng)用,脈沖周期中的高電平和低電平的持續(xù)時(shí)間皆可由基礎(chǔ)高精度定時(shí)器的是高頻率的整數(shù)倍數(shù)表示出來(lái)。在確定輸出電壓的條件下,單段完整的PWM脈沖信號(hào)包含3個(gè)參數(shù):脈沖頻率、脈沖占空比、脈沖個(gè)數(shù)。前2個(gè)參數(shù)決定脈沖的形狀,后1個(gè)參數(shù)確定脈沖維持的時(shí)間。PWM產(chǎn)生部分程序流程圖如圖4所示。

圖4脈沖產(chǎn)生流程圖

3.4.1脈沖信號(hào)的端口配置

脈沖信號(hào)的端口配置包括3路定時(shí)器PWM的輸出、3路使能信號(hào),3路方向信號(hào),定時(shí)器的PWM脈沖信號(hào)的輸出口配置成復(fù)用推挽輸出模式,方向信號(hào)和能使信號(hào)的輸出口配置成推挽輸出模式,而編碼器的捕獲輸入口配置成浮空輸入模式。GPIO根據(jù)連接速度的需要可以配置成2MHz、10MHz和50MHz3種類型。

3.4.2脈沖頻率和占空比的設(shè)置

在STM32控制芯片中,與定時(shí)器相關(guān)的寄存器有計(jì)數(shù)器寄存器(TMCNT)、預(yù)分頻器寄存器(TMPSC)、捕獲/比較寄存器(TMCCR)、自動(dòng)裝載寄存器(TMARR)。要產(chǎn)生指定參數(shù)的PWM脈沖,主要就是對(duì)這些寄存器進(jìn)行配置。下面介紹PWM信號(hào)配置步驟:

(1)基頻的設(shè)置。在STM32中TIM1高級(jí)定時(shí)器的時(shí)鐘基頻由ABP1橋時(shí)鐘確定,而通用定時(shí)器的時(shí)鐘基頻由ABP2橋時(shí)鐘確定。在系統(tǒng)模塊中ABP1橋和ABP2橋時(shí)鐘都配置成最高的72MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。由于16位的定時(shí)器表示的脈沖頻率范圍有限,為了擴(kuò)大其輸出脈沖的頻率范圍,需要通過(guò)設(shè)置預(yù)分頻器寄存器,降低輸入時(shí)的頻率,配置成72MHz/TMPSC的基頻。這樣設(shè)置后,計(jì)數(shù)器寄存器和自動(dòng)裝載寄存器皆以分頻后的基頻為單位進(jìn)行比較和計(jì)數(shù)。

(2)基頻的設(shè)置。在向上計(jì)數(shù)模式中,計(jì)數(shù)器寄存器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)到自動(dòng)裝載寄存器設(shè)置的值,然后重新從0開(kāi)始計(jì)數(shù)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出中斷。通過(guò)設(shè)置自動(dòng)裝載寄存器,調(diào)整溢出中斷產(chǎn)生的時(shí)間,溢出中斷產(chǎn)生后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一次電平轉(zhuǎn)換,開(kāi)啟下一個(gè)脈沖周期。因此由72MHz/TMARR可以確定了PWM信號(hào)的頻率。

(3)占空比的設(shè)置。在計(jì)數(shù)器寄存器從0增加計(jì)數(shù)到自動(dòng)裝置寄存器設(shè)置值的過(guò)中,可以通過(guò)設(shè)置比較寄存器,改變比較寄存器與計(jì)數(shù)寄存器之間的大小關(guān)系,實(shí)現(xiàn)一次電平跳變,其中因此通過(guò)為了擴(kuò)大可以產(chǎn)生的脈沖范圍,可能需要對(duì)72MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行預(yù)分頻。所以實(shí)際程序中先需要判斷是否需要預(yù)分頻,如若需要配置,那么還需計(jì)算最小的預(yù)分頻系數(shù)。

3.4.3脈沖計(jì)數(shù)

STM32可以直接設(shè)置PWM脈沖信號(hào)的周期和占空比,確定脈沖信號(hào)的形狀,但需要通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)確定發(fā)送脈沖個(gè)數(shù),決定定時(shí)器的起停。在生成PWM過(guò)程中,當(dāng)計(jì)數(shù)寄存器當(dāng)前數(shù)值大于比較寄存器設(shè)置值時(shí),將產(chǎn)生比較中斷。當(dāng)計(jì)數(shù)寄存器值增加到自動(dòng)裝載寄存器設(shè)置值時(shí),將產(chǎn)生溢出中斷,2個(gè)中斷皆采用邊沿觸發(fā),比較中斷將在下降沿觸發(fā),而溢出中斷將在上升沿觸發(fā),在中斷觸發(fā)的時(shí)刻即可實(shí)現(xiàn)脈沖的計(jì)數(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用STM32建立了伺服壓力機(jī)的控制系統(tǒng),并提出了伺壓力機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式。控制滑塊實(shí)現(xiàn)任意的速率和運(yùn)動(dòng)曲線,提高材料可成形性,降低噪音,節(jié)約能源。從建立的伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)中可以看出完善伺服電機(jī)的控制、計(jì)算能量的極小化、獲得精確的沖壓能量是有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。