（材料加工工程专业论文）摩擦焊机转速控制系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 本文针对c t - 2 5 摩擦焊机转速波动大的问题，在分析了电动机变频 控制的原理、机械性能以及积分分离p i 控制算法的基础上，设计了一个 智能转速控制系统，该智能控制系统与上级计算机构成了c t - 2 5 摩擦焊 机的计算机监督控制系统。 在智能转速控制系统中，采用了单片机8 0 3 1 ，同时扩展了一片程序 存储器2 7 6 4 和一片数据存储器6 2 6 4 。在转速反馈通道，扩展了一片定时 计数器8 2 5 3 用于检测反馈转速，在数模转换通道串接了光电耦合器及 8 2 5 5 并行i o 芯片用于防止过程通道的干扰，提高了系统的抗干扰能力。 在计算机辅助设计方面，本文采用了p r o t e l 软件来绘制原理图和对硬 件电路进行模拟，同时还采用了s i m 8 0 5 1 模姗试软件对控制程序进行 编辑、汇编、调试等工作。 斑讯一薷器胤、韶引、 重庆大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r m c i p l e sa n de f f e c t so ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n t e e h n o l o g ya n dd i 酬p ie o m r 0 1 o nt h eb a s i so f t h i s a n a l y s is ，a ni n t e l l i g e n t r o t a t i o nr a t ec o n u d ls y s t u ni sd e s i g n e dt os o l v et h ea c u t es u r g eo ft h ec t - 2 5 f r i c t i o nw e l d i n gm a c h i n e sr o t a t i o nr a t et k si n t e 6 1 i g e a tr o t a t i o nr a t ec o n t r o l s y s t e mt o g e t h e r w i t ht h e s u p e r i o rc o m p u t e r r r l a k e su pt h es u p e r v is i o nc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mo f t h ec t - 2 5f r i e t i o nw e l d i n gi n h i n e h lt 1 1 i s i n t e l l i g e n tr o t a t i o nr a t es y s t e m , t h es i n g l ec h i po fm i c r o c o m p u t e r 8 0 3 1i su s e d8 8c p u , t h er o m2 7 6 4i su s e d 鹳p r o g r a mm e m o r ya n dt h er a m 6 2 6 4a sd a t am e m o r y i ni t sl o t a t i o l lr a t ef e e d b a c kc i r c u i tt h em m e a c o u n t e r 8 2 5 3i su s e dt oc o u n tt h ef e e d b a c kr o t s t i o ni 赳et o h a l c et h er e s i s t i v i t y a g a i n s ti n t a 蠡翦e n c c - t h ep a r a l l e li 0c h i p8 2 5 5i su s e db 既r e e nt h ec p ua n d d l k c o r l v e l - t e a - d a c 0 8 3 2 i n t h e d f 久c o n v e r s i o ne i r d f i t i w 酏r e s p e c tt oc a d t h es o i t w a r ep r o t e li su s e dt od e i g nt h ep r i n c i p l e f i g u r ea n ds i m u l a t et h ec i r c u i t s , a n dt h es o f t w a r es 眦8 0 5 li su s e dt oe d i t , a s s e m b l ea n d d e b u g t h ec o n t r o lp r o g r a m k e y w o r d s ：f r i c t i o nw e l d i n gr o t a t i o nr a t e f i - e q u e n c yc o n v e r s i o n 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 摩擦焊接概述 摩擦焊接是在压力与扭矩作用下，利用焊接接触面之间的相对运动及 塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使接触面及近区达到塑性状态并产 生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接过程的一种焊接方法【l l o 作为种压焊方法，它以其优质、精密、高效和节能等优良性能，特别是 它能完成一些对热影响敏感、焊接性能差的材料的焊接，已成为国内外所 公认的具有很大技术潜力和广阔的应用前景的一种焊接方法1 2 1 。 摩擦焊接通常是一种旋转工件的对焊方法，它所需控制的焊接参数有： 转速、摩擦压力、摩擦时间和摩擦变形量、停车时间、顶锻压力和项锻变 形量等。其中转速和摩擦压力是摩擦焊最主要的工艺参数，是摩擦焊机控 制的主要对象闭。摩擦焊机易于实现焊接过程和焊接参数的自动控制，以 及焊接设备的自动化，从而使焊接操作十分简便，焊机运行和焊接质量的 可靠性大大提高，还可与柔性制造系统( f m s ) 配合使用。 摩擦焊接的起源可追溯到1 8 9 1 年，当时美国批准了这种焊接方法的第 一个专利，该专利利用摩擦热来焊接钢缆嘲。随后德国、英国、前苏联、 日本等国家先后开展了摩擦焊的生产应用。我国也在1 9 5 7 年就利用封闭加 压原理实验成功了铝嘲摩擦焊1 。通过近百年的发展，摩擦焊以其优质、 精密、高效、节能的特色，在航空、航天、核能、海洋开发等高科技领域 及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等部门得到了广泛的应用慨”。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 摩擦焊接技术的国内外研究现状 随着摩擦焊接领域的扩展，大量新材料的使用，如新型金属材料、工 程陶瓷材料、复合材料等，传统的摩擦焊接方法和工艺已不能适应焊接生 产的需要。从7 0 年代起，美国g e 公司在军用航空发动机转子部件( 盘 十盘，盘+ 轴) 制造中，率先成功地采用了惯性摩擦焊接技术。这一成功 有力地带动了美国p w 公司、英国r r 公司和德国m t u 公司焊接技术 的改进更新。目前惯性摩擦焊机已在飞机制造和航天工业中广泛应用，国 外一些先进的航空发动机制造公司已将摩擦焊接作为高重比航空发动机 转子部件的主导的、典型的和标准的工艺方法1 7 1 ”。随着径向摩擦焊技术 的研究和发展，国外已经研制出用于焊接大型管件，如1 5 0 m m 的石油天 重庆大学硕士学位论文1 绪论 然气管道的设备l 。在工艺方面已经发展了相位摩擦焊、线性摩擦焊、 搅拌摩擦焊等。在焊接设备制造和焊接过程监测技术方面，美国的m t i 公司、英国的t h o m p s o n 公司、德国的k u k a 公司等著名的摩擦焊机制 造公司己达到很高的水平毕j4 j 。根据不同的用途，焊机的监视器和控制器 可以从简单的长度缩短监视器到采用i b m 计算机的焊接参数控制和监测 系统。为了强化焊接过程质量保证，国外还发展了一些特殊的过程控制技 术，如摩擦扭和声发射监控技术等f 7 , 8 , 1 0 - 1 9 1 。 随着摩擦焊在高技术领域中的渗透和扩展，国外对摩擦焊接技术的基 础研究不断展宽和深化，相关边缘学科的理论、技术和方法被广泛地移植 和综合进来。其主要目的是在更高技术层次e 适应高技术产业对摩擦焊技 术提出的新要求。目前国外摩擦焊接技术领域中较为活跃的学科研究方向 及部分前沿课题有：摩擦焊接热物理、摩擦焊接力学冶金、摩擦焊接过程 控制、摩擦焊接质量无损检测、焊接结构的完整性、可靠性与完全性等 7 , 8 , 1 0 , 1 3 1 6 , 1 9 - 2 s l 。 其中过程控制包括： ( 1 ) 焊接过程信息参量的变换及相关的传感器； ( 2 ) 焊接过程监控技术； ( 3 ) 焊缝温度工业控制计算机实时监测与闭环控制技术； ( 4 ) 焊接过程参数多输入一多输出耦台控制系统： ( 5 ) 特种、专用和多功能焊4 i , 设计与制造技术。 我国是世界上研究摩擦焊接最早的国家之一，在1 9 5 7 年用封闭加压原 理试验成功了铝铜摩擦焊接刚。4 0 余年来，摩擦焊接已成功地应用于锅 炉蛇形管、大截面石油钻杆、高速机车涡轮增压器转子等的焊接。些如 汽车半轴、半轴套管、桥壳等构件的专用摩擦焊机已研制成功【2 】。国内从 事摩擦焊机生产的专业厂家有长春焊机制造厂，从事摩擦焊接技术研究的 单位有哈尔滨焊接研究所、北京航空材料研究院、航空工艺研究所、西北 工业大学和西安交通大学等单位。在摩擦焊接实时控制方面，西北工业大 学摩擦焊接研究所在对传统摩擦焊机进行技术改造的基础上，先后实现了 石油转杆、涡轮增压器、汽车半轴等重要构件摩擦焊接参数的计算机控制 1 2 删。然而到目前为止我国在摩擦焊接技术的综合与整体水平上与国外相 比仍较落后，采用摩擦焊接结构生产的比例还比较低，摩擦焊接结构生产 的自动化程度还不高。在摩擦焊机方面与国外的差距也较大，主要是焊机 品种少，产品结构不合理，技术经济指标偏低，功能质量和制造质量较差， 可靠性不好，成套性不好等，远不能满足我国高新技术崛起和传统产业技 术改造对高性能摩擦焊机的迫切的需求| 1 6 嚣2 8 l 。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 电动机控制技术的国内外研究现状 由1 1 可知，转速是摩擦焊机的两个主要控制参数之一，电动机控制性 能的好坏赢接影响到摩擦焊机的焊接质量。因此，在c t _ _ 2 5 摩擦焊机测 控系统的研究课题中，电动机转速的控制被作为一个单独的子课题提出来。 长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速拖动系统， 因此直流调速拖动系统一直在调速领域内占据首位。例如发电机电动机组 列欧纳德( i g o m r d ) 控制方式，带有交磁放大机的发电机电动机机组以及 晶闸管电动机组调速系统，在额定转速以下用改变电枢电压的方法调速， 在额定转速以上用改变励磁的方法调速。采用反馈和前馈的直流调速拖动 系统可以得到高精度的转速调节1 2 9 l 。因此，在过去的年代里，人们在概念 上已形成直流调速拖动比交流调速拖动好的印象。随着生产技术的不断发 展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动 机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人 们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步 电动机的调速性能难以满足生产要求，于是，从2 0 世纪3 0 年代开始，人 们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流 调速一直以性能优领先于交流调速。6 0 年代以后，特别是7 0 年代以来， 电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速 相媲美、相竟争，目翦，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代刚。 国内外交流调速发展的方式多种多样，在发展的过程中形成了诸如： 变频调速、串级调速、双馈电动机、无换向器电动机、交流步进拖动系统、 交流伺服系统等主要分支，这些分支都有各自的研究方向和特点l ”“。 在众多的调速技术中，交频调速是使用最广的一项。它可根据电机负 载的变化实现自动、平滑的增速或减速，调速特性基本保持了异步电动机 固有特性转差率小的特点，因而其效率高、范围宽、精度高且能无级调速， 是异步电动机最理想的调速方法，尤其适用于水泵和风机，与传统的阀门、 档板调节相比，节电率高达4 0 以上，同时对变频器性能的要求不高，只 需模拟式由八位微机控制的即可。实践证明，从数百瓦的伺服系统到数万 千瓦的特大功率高速传动系统，从小范围调速到高精度、快响应、大范围 调速系统，从单机传动到多机协调联动，从纺织印染到交通运输等凡是用 电机的地方，由于变频调速技术的应用，都把调速效应和精度提高到了前 所未有的水平。近年来由于控制理论、微电子技术和高达1 0 0 0 0 8 0 0 0 v 以上s c r 、g t o 的开发以及并联、串联技术的发展应用，促进了高压、高 功率、高精度、多功能、智能化的变频调速产品的问世，如美国a b 公司 己开发生产出电压为2 4 0 0 v 、3 3 0 0 v 、4 1 6 0 v 、6 6 0 0 v 、6 9 0 0 v ，功率高达 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 0 0 0 0 k w 的s c r 变频器。此外，日本的富士、三菱、东芝，美国的g e ， 欧洲的西门子、a b b 、b r u s h 等公司也都有类似产品上市。这些高精度、 多功能、智能化的产品进一步扩大了变频器的应用领域，使变频器市场更 为兴旺繁荣。与此同时，变频调速技术也不断发展，形成了诸如：相位控 制、v ，f 控制、转差频率控制、脉宽调制( p w m ) 、矢量变换控制、磁 场控制等，这些方法既相互联系又有区别，形成了各自的特点i ”“。 国外变颁调速技术产业的兴起和发展也促进了我国变频调速技术的 发展。我国现有1 0 0 余家科研生产单位在从事变频调速技术的研究与产品 的开发硼制，大连电机总厂、北京电机总厂还分别从日本东芝和三菱引进 了变频器生产线。但是，与国外相比，我国变频调速技术产业的发展目前 还不近人意，仍存在许多问题和困难集中体现在变频调速产业还未真正 建立、产品技术水平和档次很低( 如功率等级大多在1 5 0 k w 以下) 、相关 配套产业( 如电力电子和半导体器件制造业) 基础薄弱等方耐3 0 , 3 “。 1 3 课题内容 我国的摩擦焊接技术的研究和应用与国外相比仍较落后，这种先进的 焊接技术至今尚未在工业生产中广泛应用。其原因之一是国内摩擦焊接设 备品种单一，功能简单，自动化程度不高，虽然计算机控制技术有所研究 和应用，但过程化水平较低、可靠性较差、控制功能欠佳。国内摩擦焊设 备已不适应摩擦焊技术向大型化、自动化、精密化发展的趋势，成为摩擦 焊技7 懈的“瓶颈”，因此国内摩擦焊设备急需技术改造和更新，尤其是 测控系统的改造和更新。本课题就是对兵器总公司第五十九所最新研制的 c t - - 2 5 特种摩擦焊机进行摩擦焊机测控系统的研究。 五十九所的c t - - 2 5 q 睁种摩擦焊机是国内目前功能最齐全的摩擦焊机， 它可以完成连续驱动轴向摩擦焊、惯性驱动轴向摩擦焊和惯性驱动径向摩 擦焊，通过添加定相位装置也可以进行轴向的相位摩擦焊。该设备的控制 系统采用了p c 工业控制机和p i c 可编程控制器，是目前国内同类产品 中功能最齐备、设备最先进的设备。但是。在实际生产过程中，该设备的 一些不足暴露出来，主要问题是：操作复杂、干扰较大及转速波动较大等， 影响了焊接质量。从目前情况来看，设备的控制系统主要是利用he 一可 编程控制器来完成控制，而工业控制计算机更主要是起个显示器的作用， 这造成了设备的浪费，同时也给生产带来了诸多不便。 近几年来，随着计算机技术及计算机控制技术的飞速发展，p c 工控机 更广泛地应用于各行业中，其控制功能强大，系统运行稳定可靠，它完全 能够满足各种工业对象对控制系统的要求p ”。将p c 工控机应用于摩擦焊 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 机的测控系统中是摩擦焊机测控系统研制的发展趋势，有利于提高摩擦焊 机控制系统的控制能力，及提高焊接产品的质量，因此具有相当高的学术 水平和实用意义。在摩擦焊机测控系统中，p c 工控机能完成焊接参数的设 定、检测、计算、控制、显示和打印等，完全可以满足测控系统的各种要 求，实现焊接过程的稳定、可靠运行。本课题的目的就是研究利用工业控 制计算：钆来独立完成对c t _ _ 2 5 摩擦焊机的自动控制，达到有效利用资源， 使生产操作简单、可靠，从而提高焊接质量。 根据c t 一- 2 5 摩擦焊机测控系统研制的特点，本课题分为三部分： ( 1 ) 硬件配置及辅助电路设计 合适的硬件配置和辅助电路设计是特种摩擦焊机实行计算机实时监控 的基础和前提。该部分主要的主要任务是：完成设备的传动系统、液压系 统、电气系统、伺服系统、主控机系统等的电路设计及各自所需元器件、 传感器的选择。 ( 2 ) 软件控制系统 软件控制系统是计算机适时监控的关键与核心，对整个系统能否实现 所预定的功能起作决定性的因素。该部分的主要任务是：用户界面的设计、 合理划分模块及建模。 ( 3 ) 转速控制系统 主轴转速是摩擦焊机两个主要控制参数之一，特别在惯性摩擦焊工艺 中它决定着摩擦焊接的能量输入，对焊接质量的影响非常大。在原系统中， 转速波动达1 0 。要保证焊接参数的重复性，主轴转速波动必须小于1 。 转速控制系统的任务就是把主轴转速的波动控制1 以内。 1 4 本研究要解决的技术问题 本部分的研究内容有： ( 1 ) 设计对转速实行闭环控制的单片机系统，包括这一系统的硬件构成、 软件编制、调试等。 ( 2 胙为c b - 2 5 特种摩擦焊机控制系统的一部分，为了整套系统的协调 运行，本课题应解决单片机系统与p c 工控机之间的通讯问题。 ( 3 ) 生产现场各种情况复杂，干扰信号源多，特别是使用了变频电机就加重 了干扰，影响了摩擦焊机的测控系统的稳定性、可靠性。因此抗干扰问题 是本课题的一个方面。 s 重庆大学硕士学位论文 2 控制原理分析及方案论证 2 控制原理分析及方案论证 现代生产规模的扩大和生产水平的不断提高，对生产过程自动化水平 提出了更高的要求。在4 0 5 0 年代，一些国家主要是采用模拟控制器对工 业生产过程进行控制，从而使控制系统更加合理和具有一致性，同时也减 轻了工作人员繁重的控制操作。但是在这种控制方式中，一个模拟控制器 只能控制一个被控量。而采用计算机对系统进行控制，就可以控制几个被 控量，把生产过程的各个控制对象都管起来，组成一个统一的控制系统， 使控制系统更加合理，并使设备得到较好的利用f 3 ”。采用计算机控制可以 利用编制程序和人机对话等方式，很方便地改变系统中控制器的算法和计 算参数。尤其是在需要进行一些复杂而精确的计算时，采用计算机来进行 运算，在提高运算速度和精度等方面对系统的控制都显示了无可比拟的优 越性。 微型机控制就是利用微型机来实现生产过程自动化的控制。生产过程 的数学模型、控制算法、传感器、控制元件和微型机系统组合在一起，就 构成了一个生产过程的微型机控制系统。按微型机参与控制的方式分类， 微型机控制系统可以分为p 3 - 4 0 ： ( 1 ) ：生产过程的巡回检测和数据处理系统 这是一种最早运用于生产中计算机控制系统。微型机将生产过程中大 量的过程参数采集来，然后经微型机进行必要的数据处理根据需要可进行 显示，也可通过打字机打印出来，或录制在磁带或磁盘上等。其原理图见 图( 2 1 ) 。 图2i 计算机巡回检测系统原理图 ( 2 ) ：直接数字控制( d d c ) 系统 直接数字控制是在巡回检测和数据处理的基础上发展起来的。d d c 控制要求微型机对在生产过程中采集到的数据，根据工艺过程中各个网路 的控制算法计算出控制量，其输出直接作用于执行机构，使被控量达到和 维持在给定值，而每隔一一定时间，按照d d c 算法来改变对被控对象的控 制作用。其原理图见图( 2 2 ) 。 重庆大学硕士学位论文2 控制原理分析及方案论证 图2 2 直接数字控制系统原理图 ( 3 ) ：监督控制( s c c ) 系统 计算机监督控制是较高一级的控制。用于监督控制微型机的输出不矗 接作用于执行机构，而着重于控制规律的研究，即各类应用软件的研究与 实现是它的主要任务，如最优控制、自适应控制等。计算机的输出直接去 调节控制器的给定值。其原理图见图( 2 3 ) 。 图2 3 监督控制系统原理图 ( 4 ) 集散控制( d c s ) 系统 集散控制系统( d c s ) 又称为分散控制系统或分布控制系统。它是融 d d c 、s o c 及整个工厂的生产管理为一体的高级控制系统。它一般由分散 过程控制级( d c c ) 、监督控制级( s c c ) 、和生产管理级( c ) 等几级 组成。分散过程控制级是d c s 的基础，用于直接控制生产过程。监督控制 级的任务是对生产过程进行监视与操作。管理级则是整个系统的中枢，它 根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全丽反映整个系统工作情 况的报表，审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一 级下达命令。集教型控制系统实质是利用计算机对生产过程进行集中监视、 操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处 理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而 产生的。能够适应工业生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理 水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保 证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益。其具体 的原理图见图( 2 4 ) 。 另外，近年来，集计算机、通信、控制三种技术于一体的第5 代过程 控制体系结构，即现场总线控制系统，成为国内外计算机过程控制系统的 重庆大学硕士学位皓文2 控制原理分析及方案论证 一个发展b - 向t 3 “。 图2 4 集散控制系统原理图 在c t - 2 5 摩擦焊机控制系统中，采用了计算机数字控制。c t - 2 5 摩擦 焊机测控系统对液压阀的控制是通过计算机输出直接作用于执行机构使之 达到给定值：对电动机转速的控制则是通过对下级转速测控系统进行控制， 由下级转速测控系统进行直接数字控制实现的。转速测控系统是c t - 2 5 摩 擦焊机测控系统中的个子系统，它采用了d d c 直接数字控制，实现了 对主轴转速的检测、控制，是一个智能转速控制模块。 2 1 真接数字控制系统( d i ) c 系统) m ”习 如前所述，直接数字控制系统简称d d c 系统，就是用一台计算机取代 模拟调节器直接控制调节阀，使被调量维持在给定值。d d c 系统可以分时 处理多个控制回路，实现几个甚至几十个单回路的数字控制。这是模拟控 制所不能比拟的。d d c 系统很容易实现各种比较复杂的控制规律，如：串 级控制、前馈控制、自动选择控制以及大迟延补偿控制等。如图2 2 所示， d d c 系统由被控对象( 过程或装置) 、检测仪表、执行器( 通常为调节阀) 和工业控制计算机组成。工业控制计算机由四部分组成：c p u 、存储器、 通讯外设以及与被控对象联系的输入输出接口。其中输入输出接口包括多 路开关、信号预处理、a d 接口、开关量输出接口以及信号转换、反多路 开关等。 图2 2 的方框图实际上是由多个图2 5 所示的计算机离散闭环系统框图 组成。它的控制过程可以归纳为一下三个方面： ( 1 ) 信号的检测与变换。通过传感器、变换器把被测参数变换成统一 的直流电信号，然后由a d 转换器转换成数字信号送入计算机。 ( 2 ) 实时决策及运算。将实时给定值( 数字量) 与检测值( 数字量) 蘑废人学坝l j 学位论文2 柠制螅理分析度方案论仆 进行比较，并使用某种控制算法决策控制策略，其结果是产生摔制数掘输 出。 ( 3 ) 实时控制输出。山输出接口电路( d a 或者i o ) 把计算机的控 制数掘转换成控制信号输出到执行机构非作用到被控对象1 ，完成规定的 控制操作。 图2 5 计算机离散翻】环控制系统框图 实时是指从检测信号的输入到计算机的控制信号输出都要在定的时 间内完成。计算机分时地在各个控制回路卜重复上述的过程，就町以以离 散的闭环方式控制多个回路，甚至控制多个控制对象。 在转速测控系统中，出于检测的转速反馈信号是由光电编码器输出的 脉冲信号。已经是离散信号，转速的检测就是检测脉冲信号因此转速测 控系统没有采用a d 转换器。测控系统内的计算机把给定值与转速反馈 值通过按照一定的控制规律进行运算，得到输出控制值，再经过d a 转 换去控制变频器，其原理图见图2 6 。 图2 6 转速控制系统控制框翻 2 2 数字p i d 控制c 3 5 , 3 6 4 1 - 4 5 】 p i d 控制即比例积分微分控制。在模拟控制系统中p i d 控制规律的 表达式为； 硼眦小r ) + j 1 ，f e ( t ) d t + 死警i 协1 ) 式中k 、t i 、t d 分别为模拟调节器的比例增益、积分时问、微分时 问。 计算机控制系统是数字控制系统，只能由采样时刻的偏差值柬汁算控 9 重庆大学硬士学位论文2 控制原理分析及方案论证 制量。要在计算机控制系统中实现p i d 调节控制必须对上式进行离散变化 设t 0 为采样周期， 令 新略扣) d e ( t ) 。e ( k ) - e ( k - 1 ) d ( t )瓦 则模拟p i d 算式变化为数字p i d 算式，式( 2 1 ) 只能用数值计算的方法 逼近，成为： 础m 卜专扣噜m 一”t ) 协z ， 或 “( 七) = k c e ( k ) + k ，p ( f ) + 盖。【e ( _ j ) 一e ( k 1 ) 】( 2 - 3 ) i = 0 式中，u 是第k 次采样计算机的输出足，= 等称为积分系数； 足。：冬晏称为微分系数。 0 由于控制量u 和执行机构的位置相对应，故式( 2 3 ) 表示的算法称作 位置式p 1 d 控制算法。如果周期t o 取得足够小，这种逼近可相当准确，计 算机控制和模拟p i d 控制十分接近。但是由于计算u 需要计算从o ) 到 e 0 0 的值，当k 很大时，需要占用的内存相当大，计算机的运算工作量也 相当大，故出现了递推形式的增量算法，如式： u ( k ) = u ( k 一1 ) + a , 4 k ) ( 2 4 ) a u ( k ) = k o e ( k ) + k l e ( k 一1 ) + k 2 e ( k 一2 ) ( 2 5 ) 式中，硒、k 1 、k 2 为系数。k 0 - k p + l ：- k d ，k l 一( k p + 2 k o ) ，k z = k v 2 2 1 数字p i 控制汹3 5 4 ”1 模拟p i d 控制的微分对克服系统的惯性、减小超调、抑制振荡起作重 1 0 重庆大学硕士学位论文2 控制原理分析及方案论证 要的作用，但是在数字p 1 d 控制中，微分部分的调节作用并不明显，并且 对频率较高的干扰信号又比较敏感，使系统极易受到嗓声信号的污染。这 对控制系统的稳定性有不利影响。又积分运算是通过对系统偏差的不断累 加来实现的，积分器的积分值代表着系统偏差的面积。由于计算机输出接 口( d a 转换器) 的字长是有限的当系统在刚启动的一段时间内系统的 偏差较大，积分器经过若干个采样周期的积分运算以后，其积分结果就会 超过计算机输出接口所能表示的最大值，从而使调节器从线性工作区进入 饱和区。进入饱和区以后，调节器便失去了调节能力，系统在调节器饱和 输出值的作用下，以最大的加速度运动，一直到系统出现较大幅度的并且 持续时间较长的超调以后，才在较大的负偏差的作用下，将积分器从饱和 区拉到线性区，这是积分饱和问题。被控对象的惯性越大，这种积分饱和 就越严重。为使数字调节器尽可能工作在线性区，可以采用积分分离的方 法。在转速测控系统中，系统的输入为阶跃输入，系统偏差较大。因此， 为了克服上述不利因素，采用了增量式积分分离p i 控制。即当反馈转速与 给定转速差l e ( k ) l e ，才采用p i 控制，当i e o ( ) pe 时，仅采用p 控制，以降 低超调量。此时的增量算法公式为： u ( k ) = u ( k - 1 ) + a u ( k ) a u ( k ) = k o e ( k ) + k l e ( k 一1 ) 2 3 交流异步电动机转速控制原理汹筑3 2 删 从电机原理可知，交流异步电动机的转速方程为： ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) h ：6 0 f , ( 1 一“ ( 2 8 ) p 式中：n 为电机实际转速，f 1 为定予供电频率，s 为转差数，p 为极对 数。因而异步电动机的调速方法町以有变转差率调速、变极对数调速及变 频调速三种。 2 3 1 变频调速原理 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中 每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通量太弱，没有充分利用电祝 重庆大学硕士学位论文 2 挣制原理分析及方案论证 的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过 大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系 统是独立的。只要对电枢反应的补偿合适，保持巾。不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的。 从电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e = 4 4 4 f l u i k l 丸 ( 2 9 ) 式中e g 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) 矗一定子频率( h z ) n z 一定子每相绕组串联匝数 心1 基波绕组系数 巾m _ 每极气隙磁通量( w b ) 由上式可知，只要控制好e g 和f i ，便可达到控制磁通巾。的目的， 对此，需考虑基频( 额定频率) 以下和基频以上两种情况。 2 3 1 1 基频以下调速 这是恒磁通变频调速，由( 2 9 ) 式可知，要保持由。不变，当频率f i 从额定值“向下调节时，必须同时降低e l ，使 e l f i = 常值 即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 然而定子感应电动势e l 是电机的内部参量，难于直接控制和测量。当 频率较高、感应电动势较大时，可忽略定子绕组漏阻抗压降，认为定子相 电压u l - e l ，那么此时要保持由。不变，只要使 u l f i = 常值 这就是恒压频率比的控制方式。 低频时，u 1 和e l 都比较小，定子绕组漏阻抗压降所占比例增大，不 能再忽略，这时必须人为地把u l 抬高些，以便补偿定子压降，才能近似维 持由。不变。此时采用的是带定子压降补偿的恒压频比的控制方式。 在基频以下调速时，由于维持每极气隙磁通额定值不变，电动机作恒 转矩运行，故又称作恒转矩变频调速。 2 3 1 2 基频以上调速 这是恒压变频调速，在基频以上调速时，频率6 都可以高于额定频率 n 向上调节，但电压u - 却不能增加得比额定电压u - w 还要大，最多只能 使u l = u l n 。由式( 2 9 ) 可知，这将使磁通与频率成反比地降低，与直流 电动机弱磁升速的情况类似。 重庆大学硕士学位沧文 2 控制原理分析及方案论证 在基频以上调速时，由于磁通弓频率成反比地闸氐，使得电机转矩也 与频率成反比例变化，电动机作恒功率运行，故又称作恒功率变频调速。 把电动机在基频以下调速和基频以上调速时两种情况合起来，就可得 到图( 2 7 ) 所示的异步电动机变频调速控制特性。 图2 7 异步电动机变频调速控制特性 异步电动机变频调速系统由静止变频器，异步电动机及控制系统组成。 下面先对变频器进行介绍。 2 3 2 变频器m “” c t - 2 5 摩擦焊机采用了日本富士公司生产的f r e n i c9 0 0 0 g 9 s p 9 s 系 列中的f r n 3 0 g 9 s 4 j e 变频器，容量4 6 k v a ，额定电流6 0 a ，配接主电机 3 0 k w 。该变频器系统主要由主电路( 包括驱动电路) 、控制电路、信号采 样电路、信号处理与故障保护电路、外部接口电路与电源电路等组成。它 实际上是一个交直交电压型变频器，给感应电动机提供调压调频( v v v f ) 电源。 图2 8 变频器与单片机连接 在转速测控系统中，变频器与测控系统中的d a c 0 8 3 2 d a 转换器输 出的连接如图( 2 8 ) 所示。其中节点1 3 、1 2 、1 1 构成变频器频率手动调 重庆大学硕十学位论文 2 控制原理分析及方案论证 节旋钮，1 3 为+ l o v 电源，l l 为公共地。1 2 为主设置信号端，v 1 为电压 辅助输入信号端，c 1 为电流辅助输入端，1 2 、v l 、c i 三个信号的总和决 定变变频器工作频率。v l 输入范围为0 + 1 0 v ，将d a c 0 8 3 2 d a 转换器 的输出设置为相应量程即可。在转速测控系统中，变频器输出频率由单片 机输出自动调节，故1 2 口接零输入，输出频率由v 1 端的输入电压决定。 2 3 3 转差调速原理阻刚7 1 任何电气传动自动控制系统都服从于基本运动方程式 一正= 百di d o j ( 2 - l 。) 要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速的变化率d u d t ，显然 控制电磁转矩l 就能控制dc o d t 。因此调速系统的动态性能就是控制其转 矩的能力。 由2 3 1 ，l 可知，当保持中。恒定时，最大转矩l 。不变，此时能得到 很好的稳定性能，且此时的转矩公式为： 珊一r ： t 2 足m 中m 2 币丽5z 耵( 2 - 1 1 ) 式中：c 0s = s o l ，k 。为电机结构参数。当电机稳态运行时，s 值很小 因而u 。也很小，只有u 1 的2 5 ，可以认为u 山。 i b ，则转矩可近 似地表示为： 瓦喊中：熹 ( 2 1 2 ) 此式表明在s 值很小的范围内，只要能够保持气隙磁通巾。不变，异 步电机的转矩就近似与转差角频率。成正比。这就是说，在异步电机中控 制m 。，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控 制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。 从图( 2 9 ) 】涛矩特性可以看出，在u 。较小的远行段上，转矩t e 基本上 与g 3 。成正比，t c 达到其最大值t a 。时，m 。达到u 。血x 值。 因此在转差频率控制系统中，只要给u 。限幅，使其限幅值为u s 1 时，比t 法商，m 产l 2 4 3 3 检测时间 m t 法的检测时间t 包括钡4 速的规定时间t 0 和变化量t ，其中l 为固定值，t 的值为0 、b 。p 脉冲周期t p 与转速有关，随着转速的升 高，at 的变化范围缩小，转速越高，检测时间越接近t 0 。检测时间为t n 时，计数脉冲的计数值巩为最小值。在此情况下，由式( 2 1 5 ) 可以看 出最高被测转速时的分辨率为最大。 在转速测控系统中，检测固定时间t n 被设计为5 m s , 并且可以由后 面介绍的转速检测模块硬件设计中知，f 。= 2 m h z ，p = - 2 0 0 0 。由2 4 3 ，l 和 2 4 3 2 的分析可得转速测控系统的分辨率及测速精度为： 11 s 石万君而x 1 0 0 2 赢x 1 0 0 o o l 由光电编码器的用户介绍手册可得制造误差e 秘为o 5 ，因此由式( 2 一1 9 ) 得： 兰t + 。o 5 _ a 。o + 0 0 1 pm 。 z 0 0 1 由此可见，转速测控系统的设计完全能够满足设计精度的要求。 重庆大学硕士学位论文2 控制原理分析及方案论证 2 5 系统控制原理 由c t 一2 5 摩擦焊机的生产工艺可知，不同焊接方式对电机定子供电 电源频率有不同的要求。在进行惯性摩擦焊接时，要求主轴转速达到 5 0 0 0 n m i n ，此时电动机定子供电频率及变频器输出频率为1 2 5 h z ，而在 实施连续摩擦焊接时，只要求主轴转速达到2 0 0 0 n r a i n 左右，此时的电动 机定子供电频率及变频器输出频率为5 0 h z 以下。由此可见，电动机及变 频器的工作频率变化较大。因此，结合生产的需要，转速测控系统依据定 子供电频率采用了不同的控制方法，是当系统工作于基频以上，另一是 当系统工作于基频以下。 2 5 1 基频以上媳3 0 , 3 2 , 4 74 町 在摩擦焊机进行惯性摩擦焊接时，它的工艺流程是( 以径向惯性摩擦 焊为例) ：；接到开始加速信号后，离合器合上，主电机先按正常频率 ( 5 0 h z ) 工作电机提速，当转速达到一定值后按照设定的频率工作；主 轴达到设定转速并稳定5 s 后，离合器脱离，主电机停止工作；焊机在主 轴和飞轮惯性的带动下进行摩擦焊接。由此可见，在电动机的运行过程中， 它的工作载荷稳定且较小，它的转速比较容易控制。原系统中对电动机转 速实旋的是开环控制，转速波动比较大。为了达到控制精度要求，结合惯 性摩擦焊接的工艺特点，转速测控系统对变频器工作于基频以上的情况采 用了转速负反馈，其控制原理图如图( 2 1 4 ) 。 图2 1 4 基频以上系统控制原理图 2 5 2 基频以下 c t - 2 5 摩擦焊机工作于基频以下的情况是在它进行连续焊接时，该工 艺流程是( 以轴向连续焊接为例( 径向连续焊接的工艺流程与轴向连续焊 接工艺中有关电动机的部分相同) ) ：它们的共同特点是：电动机从焊接准 备起就按设定的频率旋转：测定主轴转速，主轴的转速达到给定值并稳定 5 s 后给出焊接开始信号，夹具夹持的焊件在主油缸的压力下开始相互摩 2 0 重庆丈学硕= ：学位论文2 控制颈理分析及方案论匹 擦，在此过程中，电动机。直工作，且要求其保持主轴转速在给定值；达 到设定的时间或位移后，离台器脱离，电动机停止工作。然而，在焊机使 两焊件开始进行摩擦焊接后，由于摩擦力使得主轴载荷增加，转速降低比 较厉害。在原控制系统中，对转速的采用的是开环控制，这样就使得主轴 转速不钝即时得到补偿以减转速降，所以焊接质量比较差。如2 , 5 所述， 如果保持电动机的气隙磁通一定，则电动机的转矩及电流由转差频率决定。 为了保证气隙磁通一定，须进行u f 控制。更进。一步，如果增加控制电动 机转差频率的功能，那么异步电动机产生的转矩即可控制。实现转差频率 控制需要测出电动机的转速，此转速加上转差频率即是逆变器的输出频率。 由于能够任意控制与转矩、电流有直接关系的转差频率，与u f 控制相比， 其加减速特性和限制过电流的能力得到了提高。另外，它也应用了转速反 馈控制，使控制效果更好。因此为了提高焊接质量，满足精度要求，结 合连续摩擦焊接的特点，当系统工作在基频以下时，转速测控系统除了采 用转速闭环控制外还采用了变转差率内环控制使得系统的动态性能得至4 提 高。其具体的控制原理图见图f 2 1 5 ) 。 图( 2 1 5 ) 基频以下系统控制原理图 重庆大学硕士学位论文 3 硬件系统 3 硬件系统 计算机测控系统一般是由主机、前向通道、后向通道、被控对象和电 源等几部分组成【5 3 1 。典型的计算机控制系统如图( 3 1 ) 所示： 3 4 - 3 6 a 5 , 5 4 - 5 7 | 图( 3 1 ) 典型的单片机应用系统方框图 从图中可以看出，在工业微机控制系统中，以微机为中心，有两个方 向的信号传送：一个是进入计算机的信号即信号输入部分，包括经过信 号调理后的传感器的检测信号，开关量输入信号，操作台控制信号；另一 个是从计算机出来的信号即输出信号部分，包括输出控制动作信号到执行 机构，输出开关量信号，输出显示信息到监视器和打印机。输入信号经过 滤波、整形、放大和隔离，被转换成计算机可以处理的数字量，计算机把 这些数字量按照生产要求的控制规律( 或数学模型) 进行处理、运算，或 对输入开关量信号进行比较，得到输出结果，将数字量进行数模转换，把 数字量变成模拟量，用以控制执行机构或者直接输出到各种显示设备、打 印机、记录仪等外设上。计算机是控制系统的核心，主要实现数据处理、 监控和适时控制三个方面的功能。 整个控制系统的硬件大致由主机、分机、外部设备、接口电路、传感 器、执行机构和操作台等几部分组成。 转速测控系统由于是c t - 2 5 摩擦焊机测控系统的一个子系统，因此除了上 面所述的几部分外还有专门用于与上级计算机通信的通信设备，其具体情 况在3 2 里面讲述。按照功能模块划分，转速测控系统硬件部分由最小系 统模块、通信模块、转速检测模块、d a 转换模块、电源模块等几部分组 成。这几部分的相互联系情况见图( 3 2 ) 5 4 , 5 5 1 0 在转速测控系统的研究过 程中，对电路原理的设计采用了计算机辅助设计，采用的应用软件是 p r o t e l 9 9 这是一种e d a 软件，它的设计系统功能强大，是目前电子电路 系统设计中广泛采用的一种e d a 软件口7 1 。图3 2 是转速测控系统的模块 莺庆大学硕十学位沦文3 硬件系统 匝靶龊雷螺曦辑嚣燃辱毒nn函 重庆大学硕七学位论文3 硬件系统 控制框图，各个功能模块之间通过电连接端l 相互连接。电连接端口是网 络的一种表识方法主要用于同一工程中备图纸闻的信号的相互连接，使 图纸清晰易读，连接关系一目r 然。 3 1c p u 模块及扩展存储器模块嘲“娜” 单片机是把中央处理器c p u 、存储器r a m r o m 、输凡输出接口电 路及定日扪十数器等部件制作在缺电路芯片上，因此它结构紧凑、超小型 化、可靠性高、价格低廉、易于开发应用。由于单片机具有以上优点，再 配以适当的外围设备，构成单片单板机，则功能更强，应用范围更广。目 前，单片机发展很快，已经成为计算机发展的一个重要方面，它广泛应用 于各种工业控制场合。 转速测控系统是一个单片机应用系统，系统中采用了m c s 5 1 系列单 片机中的8 0 3 l 作为c p u ，8 0 3 l 是8 位单片机，它的运算、控制都是以字 节为单位的，与此同时它还具有位