（控制理论与控制工程专业论文）采用dsp的定尺飞锯控制系统的设计.pdf

沈阳理工大学硕十学位论文 摘要 随着国民经济的飞速发展，焊管生产线上对于定尺飞锯机的控制性能要求越来越 高。目前，开发出高精度焊管切割定尺飞锯机控制器成为冶金企业、机械工业及科研 院所致力于解决的难题。 本文首先为满足锯车速度一运行曲线柔性控制的需求，在综合分析比较了指数加 减速，直线加抛物线加减速，s 曲线加减速和三角函数加减速速度控制策略的在在基 础上，对柔性限制最小、运动曲线相对平滑的三角函数加减速速度控制策略进行改进， 总结出一种基于多项式逼近的三角函数加减速速度控制策略。通过对飞锯机直流伺服 控制系统的仿真，验证了系统对于该给定曲线有着很好的跟踪效果。 其次，针对目前的通用变频器在飞锯机上的应用还不能达到直流调速器的调速效 果。主要原因是一方面在交流调速系统中，矢量控制变频器还不能实现转矩励磁电流 动态时的完全解耦，另一方面直接转矩控制变频器的低速控制特性较差。因此，在传 统多变量内模解耦理论的基础上，设计一种基于内模解耦的定子电流控制器，并将其 引入传统的矢量控制系统进行仿真，仿真结果表明，电机参数变化后系统仍保持良好 的解耦特性，而且适当调整滤波器的参数可获得更好的解耦效果。加入内模控制器的 矢量控制系统速度响应曲线稳态和动态指标相对于传统矢量控制系统都有了较大的 提高。 最后，针对传统定尺飞锯机存在的上述问题和飞锯机目前较高的现场要求，设计 了基于t i 公司t m s 2 3 0 f 2 4 0 7 芯片的飞锯控制器，以现场设备的脉冲采集电路为输入 设备，液晶屏为输出设备，与飞锯控制器一起形成一个完整的商业化系统。 关键词：飞锯，d s p ，柔性控制，内模解耦，交流调速 沈阳理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w t ho ft h en a t i o n a le c o n o m ya tah i g hs p e e d ，t h ef u n c t i o nr e q u e s t b e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e ri nt h et u b ew e l d i n gp r o d u c tl i n e a tp r e s e n t ，t od e v e l o po u t h i g h - a c c u r a c yf l y i n gs a w c o n t r o l l e ri st h ek e yd i f f i c u l tp r o b l e mw h i c hh a sd r e wr e c e n t l y m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mm e t a l l u r g ye n t e r p r i s e ，m e c h a n i c a li n d u s t r ya n dr e s e a r c h a c a d g i l l i e sa n di n s t i t u t e s f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ef o u rc l a s s i c a la c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o n a l g o r i t h m ss u c ha s t h el i n e a r , t h ee x p o n e n t i a l ，t h el i n e a ra n dp a r a b o l a , t h esa n d t r i g o n o m e t r i ca c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc u r v e s ，w h i c hn e e ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f h i g h s p e e dm o t i o ns y s t e m t h et r i g o n o m e t r i cf u n c t i o nc u r v ei sc h o s e nt ob et h eb e s to n e w h i c hi sam i n i m u mt of l e x i b i l i t yl i m i ta n dm o r er e l a t i v e l ys t e a d ya n ds m o o t ha m o n gt h e c l a s s i cc u r v e s t h e n ，s u l l lu po u to n ek i n do fm o d i f i e dt r i g o n o m e t r i cf u n c t i o nc u r v eo nt h e b a s i so fc h e b y s h e vp o l y n o m i a l sa p p r o x i m a t i o nm e t h o d a tl a s t ，t e s ta n dg e tag o o dt r a c i n g e f f e c tb ys e n d i n gg i v e nc u r v es i g n a lt ot h ef l y i n gs a ws y s t e ma c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no f d cs e r v oc o n t r o l ss y s t e mm o d u l e s e c o n d l y , a p p l i c a t i o no fg e n e r a lt r a n s d u c e ro nf l y i n gs a wc a l ln o tr e a c ht h es p e e d r e g u l a t i o ni n d e xo fd cd d v e r t h em a i nr e a s o n sc a nb ee x p l a i n e df r o mt w oa s p e c t s ：o n e a s p e c tt h ev e c t o rc o n t r o lc a nn o tr e a l i z et h ec o m p l e t ed e c o u p l i n gc o n t r o li na cc o n t r o l s y s t e m ；t h eo t h e ra s p e c td i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fa ni n d u c t i o nm a c h i n ee x h i b i t st h eb a d c o n t r o le f f e c ti nal o ws p e e d t h e r e f o r e ，an e ws t a t o rc u r r e n ti n t e r n a lm o d e ld e c o u p l i n g c o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e do nt h eb a s i so f m u l i v a r i a b l ei n t e r n a lm o d e ld e c o u p l i n gt h e o r y , a n db e e na d d e di n t ot h ew h o l ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l to fn e ws y s t e m h a sc e r t i f i e dt h a tt h es y s t e mh a ds t i l lk e p tag o o dp e r f o r m a n c ei nd e c o u p l i n ge f f e c tw h e n t h ep a r a m e t e r so fm o t o rm o d e lw e r ec h a n g e da n dt h es t e a d ya n dd y n a m i cs t a t et a r g e t sh a d b e e ni m p r o v e dal o tt h a nb e f o r e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h eh i g h e rr e q u i r e m e n to fp r o d u c tl i n ea n dn e g a t i v ea s p e c t so f t r a d i t i o n a lf l y i n gs a w , af l y i n gs a wc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e db a s e do nt it m s 2 3 0 f 2 4 0 7 沈阳理工大学硕+ 学位论文 c h i p t h ec o n t r o l l e ru s e dp u l s ec o l l e c t e dc i r c u i ta st h ei n p u tf a c i l i t y , l c da st h eo u t p u t f a c i l i t ya n df o r m e da l li n t e g r a t e dc o m m e r c i a ls y s t e m k e yw o r d s ：f l y i n gs a w ；d s p ；f l e x i b l ec o n t r o l ；i n t e r n a lm o d e ld e c o u p l i n g ；a cc o n t r o l s y s t e m 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期： 洋凭二7 e 1 衅归二7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：；长辉 e l 期：12 士7 指导教师签名：互- - t , 叁 日 期：。吖；- 哆 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 飞锯机国内外发展和趋势 在线定长切割系统是冶金企业连续轧制各种型材、管材等生产线上不可缺少 的重要设备，它必须保证在不影响轧制线正常生产的前提下，将连续延伸的型材、 管材在线动态切割成要求的长度、并要保证一定的定长精度。 这一课题一直是冶金企业、机械工业及科研院所致力于解决的难题。于是出 现了各种各样的定长切割系统，在高频制管行业通常称为定尺飞锯。 飞锯的同步驱动方式一般有气动式、液动式、直流( 交流) 电机驱动方式等， 控制方式般有继电一接触器控制、单片机控制、p l c 控制等。国内近年来比较主 流的三种飞锯控制方案性能对比见下表1 1 所示，从表中可以明显看出微机定尺 飞锯和p l c 表1 1 1 飞锯控制系统控制方案 控制精度精度决夹具钢管表稳抗干小车 方案m i l l定因素夹紧面质量定扰驱动应用 方式 性 继电时间继 器接 5 0 电器灵动夹硬接线 不 低 气缸 逐步 触器敏度紧 好驱动淘汰 控制 微机测速辊静夹电机驱动 广泛 控制 士5 采样周 紧 软接线 较较高齿轮传动 研发中 期 好 p l c 码盘采动夹电机驱动 控制 5 样周期紧软接线 好高气缸驱动 较广泛 控制定尺飞锯是目前比较的主流应用方向。装有p l c 采用机械定尺的气动飞锯的确 占据了一些市场，这种飞锯的优点是结构简单，成本低 2 。在焊管速度为中低速， 沈陬1 理工大学硕十学位论文 管径较大时，能较好的满足定尺精度，而一旦焊管速度提高到中高速或速度有较 大波动时，就会出现定尺精度下降的情况，又由于没有电气调速系统，速度跟随 性差。如果这时管径较小，还会出现弯管现象 3 。由此可见，此种飞锯有其使用 上的局限性，它在定尺精度与速度适应性上与微机控制定尺无法相比。而微机控 制系统与电气调速系统相结合，可适应任何设计范围内的焊管速度和管径【4 。机 械定尺飞锯的误差为o 一2 0 咖，气动定尺飞锯的误差达0 5 0 0 哪，而计算机控制定 尺误差在6 m m 内，精度相当高，达到国际标准，超过冶金部部颁标准( 0 2 0 m m ) 。 国内8 0 年代中期才推出微机定尺飞锯，主要为z 8 0 单板机控制的定尺飞锯，这 种飞锯的锯车采用低惯量电机齿条传动，有电气调速系统。控制系统还是许多年 前设计的老产品。加装了单板机系统的飞锯比前代产品性能有了提高，但单板机 电路元件分立，整个控制电路布线复杂，使用多年的飞锯设备还会出现抗干扰性 差，定尺精度下降，故障率高等问题，经常延误用户生产。 进入9 0 年代，国外最新的飞锯产品在控制系统上己淘汰z 8 0 单板机，采用高性 能单片机或带有p i d 模块的p i d 控制系统，同时将电气调速系统的模拟调节器融入 软件，即飞锯控制系统全数字化。国内的飞锯控制系统正在逐步淘汰z 8 0 单板机， 向用高性能单片机为主的控制系统发展，控制系统部分采用p i d 调节，电气调速系 统仍以硬件电路实现。 2 0 0 0 年以后，随着嵌入式技术和直( 交) 流伺服的成熟，国外高精度飞锯机 伺服系统的研制在某些国家发展很快，已形成产品。如德国西门子、s e w 传动、德 国贝福、德国m k s 等等 5 6 7 ，他们普遍的特点是：采用最新的嵌入式微处理器， 控制技术采用最新的高精度交( 直) 流伺服控制技术，因此他们的产品精度和可 靠性都非常高。目前，国内也正在加紧研制自主研发的微机定尺飞锯直( 交) 流 伺服控制系统，如沈阳理工大学最新的c t 一0 1 交流伺服飞锯控制器。 1 2 新型焊管飞锯机的特点 1 2 1 全数字化技术 基于数字信号处理器( d s p ) 的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主 的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的 硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先 - 2 第1 章绪论 进算法( 如最优控制、人工智能、模糊控制、内模控制等) 成为可能。数字信号 处理器( d s p ) ，既增强了微处理器的数据处理能力，又在片内集成了大量的外围 接口。它采用哈佛结构。将程序存储空间与数据存储空间分开，并且各自拥有自 己的数据总线和地址总线：采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高； 内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而 可以高速进行乘法和累加运算。d s p 在提高速度的同时，片内集成了越来越多的外 围接口，从而大大提高其功能。 1 2 2 锯车速度曲线的柔性控制技术 传统的飞锯调速系统中一般加减速只有直线加减速和指数加减速两种，这两 种加减速比较容易实现，但存在不足。首先是和伺服电机的特性不能很好配合， 因为任何一种伺服电机到达高速区，都必然会产生输出转矩的下降，而直线加减 速方式在整个加减速过程中的角加速度不变，这就要求伺服进给系统不论在何种 转速都要提供同样的加速转锯。因此，在设计进给系统时只能按电机最高转速下 的输出转知来选取加速度，使得电机的特性得不到充分发挥。 根据物理学的知识，对于不同速度的运行曲线有着不同的加速度曲线，在飞 锯机锯车运行中，不同的加速度意味着机械磨损或机械冲击的不同，因此，在能 够保证锯车循环锯切顺利进行的前提下，使用较小的运行加速度有利于提高机械 设备的使用寿命。 锯车速度运行曲线的柔性控制 8 新型定尺飞锯计算机使用了高性能的d s p 微 处理器，该微处理器不仅有强大的运算速度，而且有完善的内部硬件资源，从而 可在线实现锯车速度运行曲线的柔性控制。 1 2 3 高精度交流伺服技术 用直流电机可方便地进行调速，因其具有优良的转矩控制性能，但由于本身 结构特点，直流调速有下面几个主要缺点 9 ：( 1 ) 采用直流电动机拖动，直流电 动机容易出现故障，维修困难。( 2 ) 使用场合受到限制，在易燃易爆以及环境恶 劣的地方不能采用。( 3 ) 由于直流电动机的结构因素使单机容量及转速受到限制。 ( 4 ) 直流电动机的价格远高于交流电动机。 沈目i 理工大学硕十学位论文 交流电机调速具有下面几个优点：( 1 ) 交流电动机特别是鼠笼异步电动机的 价格远低于直流电动机。( 2 ) 交流电动机不易出现故障，维修非常简单。( 3 ) 交 流电动机使用场合没有限制。( 4 ) 交流电动机的单机容量可远大于直流电动机 9 。 交流调速控制技术的成熟伴随着数字化技术的飞跃决定了交流调速系统成为 未来调速控制系统主流趋势。自1 9 7 1 年德国西门子公司e b l a s c h k e 等发表的论文 感应电机磁场定向的控制原理 1 0 和美国e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专 利感应电机定子电压的坐标变换控制，以后经过各国学者和工程师的研究、实 践和不断的完善，已形成现在普遍应用的高性能交流调速系统矢量控制系统 ( v c ) 1 1 1 1 2 1 。3 0 年的产品开发和工程实践，矢量控制原理日趋完善，大大小 小的交流电机变频调速控制系统大多采用矢量控制，使交流电机调速达到并超过 传统的直流电机调速性能。1 9 8 5 年德国鲁尔大m d e p e n b r o c k 教授提出了不同于坐 标变换矢量控制的另外一种交流电机调速控制原理直接转矩控制( 以下简称 d t c ) n 3 ，鲁尔大学的教授曾多次在国际学术会议并到中国来介绍d t c 技术， 引起了学术界极大的兴趣和关注。以下将从两个方面分析主要交流调速的焦点集 中在v c 和d t c 的选择当中。 与矢量控制相比，d t c 在转矩快速响应和产品化后的稳态特性上是存在严重 不足 1 4 。 1 ) 转矩响应的提高。由于d t c 砰一砰控制使其输出电压有较大的d u d t ，故 d t c 变频器输出都加装滤波器，以减少d u l d t 对电机绝缘的影响，而滤波器增加 了线路电感，在减少了d u ，出同时，也降低了转矩响应。d t c 变频器可以获得较好 的转矩响应尽管是一个不争的事实。对于那些对转矩响应要求高的场合。例如交 流伺服传动，机车牵引等较适于采用d t c 技术。而一些对转矩响应要求不苛刻， 特别是带有齿轮连接的传动，过快的转矩响应不仅不利反而有害。 2 ) 变频器稳态特性。d t c 变频器采用砰一砰控制带来较好的转矩响应，同时由 于其开关频率是不确定，随机变化的，使d t c 变频器存在以下问题： 无法象矢量控制那样，在确定的开关频率条件下，采用消除谐波的p 1 】l m 控 制方法； 变频器输出电压，电流的谐波较大； 变频器输出电压偏低； 蔓! 主竺丝 变频器效率略低； 在相同电力电子元器件条件下，变频器输出容量略小。 也就是说，d t c 控制变频器的稳态指标要比v c 差，这在清华大学的试验报告 中也有证明。这对于那些不要求较高动态性能指标的通用变频器，例如风机、水 泵节能传动，一般工业机械传动，变频器的效率，容量利用率，谐波就显得更为 重要，在这些应用场合v c 显然要优于d t c 。 对于大型传动设备，例如采用i g c t ( 一种在大功率开关器件g t o 基础上改 进而成的新型大功率电力电子器件。和g t o 相比，其关断时间降低了3 0 ，功耗 降低4 0 ) 元件的三电平高压变频器，变频器的效率，容量指标亦十分重要。表( 1 ) 列出了采用v c 和d t c 两种不同控制方式的i g c t 三电平高压变频器的技术数据。 表1 2 1 5 v c 和d t c 调速控制方案比较 v cd t c 电机控制磁场定向电机模型磁场定向电机模型 电流控制两分量电流控制快速内电流控制环 p w m 控制最佳脉冲控制砰一砰控制 开关频率确定，( 1 5 0 2 0 0 h z )不确定， 3 5 0 h z 输出电压 3 3 0 0 v3 1 0 0 v i g c t 元件4 k a 4 5 k v 4 k a 4 。5 k v 输出容量 1 0 m v a9 m v a 因此，完全的直接转矩控制离产品化从理论和实际上都还有一定的差距。 1 3 本文主要研究内容 本文主要阐述了采用d s p 的定尺飞锯控制系统的设计。定尺飞锯中锯车的运 动控制曲线的整定和传动策略的分析；基于d s p 最小系统的硬件电路的设计和实 现；针对于目前国内外交流传动技术的需求，设计了一种基于内模解耦控制策略 的高精度矢量交流控制系统。本文研究内容如下批 第二章为定尺飞锯机的工作原理和工作过程。简单介绍了一般定尺飞锯的基 鲨! ! 望三奎堂堡主堂垡堡茎 本设备结构和工作过程( 设备结构包括电气系统、机械系统和检测系统等) 。重点 描述了以1 6 位芯片8 0 c 1 9 6 k 以及由8 2 5 3 ，8 2 7 9 ，d a c l 2 1 0 和8 2 5 5 等组成的飞 锯控制系统外围电路。 第三章首先对经典的四种加减速速度控制曲线进行分析比较后，采用一种改 进型的三角函数加减速速度控制曲线，然后用m a t l a b 仿真工具建立直流伺服飞锯 传动模型，最后，通过仿真试验，验证系统的速度曲线的跟随和扰动抑制效果。 第四章传统的矢量控制算法解耦不彻底的问题，设计一种基于内模解耦的定 子电流环控制器，并将其引入传统的矢量控制系统进行仿真，根据仿真结果比较 传统的矢量控制策略并得到结论。 第五章是针对传统定尺飞锯机存在的上述问题和飞锯机目前较高的现场工艺 要求，首先设计了基于t i 公司2 4 0 7 芯片的飞锯控制器，以现场设备的脉冲采集 电路为输入设备，液晶屏为输出设备，与飞锯控制器一起形成一个完整的商业化 系统。 作者文中的主要工作： 1 ) 分析锯车的运动规律，对比和分析目前比较流行的锯车速度运行曲线算法， 采用一种工程实用的基于切比雪夫多项式逼近的三角函数加减速速度控制算法， 通过直流飞据模型的仿真分析验证系统的跟踪效果； 2 ) 完成对基于内模解耦策略的定子电流控制器的设计，通过仿真试验一方面 验证参数时变和非时变情况下系统的解耦效果；另一方面验证解耦后矢量控制系 统速度输出的稳态和动态特性。 3 ) 设计了基于t i 公司t m s 2 3 0 f 2 4 0 7 芯片的飞锯控制器，以现场设备的脉冲 采集电路为输入设备，液晶屏为输出设备，与飞锯控制器一起形成一个完整的商 业化系统。 第2 章通_ j 定尺飞锯的工作原理 第2 章通用定尺飞锯的工作原理 2 1 定尺飞锯控制系统的基本结构 锯车，一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一， i l ：锯片： v 恒速夹具黝 n 錾辊 吲【 吲 i | u - + 测速辊；訾鼍2 簟鼍【1 i i 人kkk卜k卜卜卜ki 弋爹一 系统囝一统熙矽 图2 1 定尺飞锯机的结构图 如图2 1 定尺飞锯机的结构图，飞锯机系统设备构成一般包括电气系统、机械 系统和检测系统。电气系统由计算机系统、直流( 或交流) 调速系统和继电器控 制系统组成；机械系统由传动轴、齿轮齿条、减速箱、锯切机构以及气动液压 系统组成；检测系统由测速辊、光电编码器和接近开关等部分构成 1 6 。 切割钢管的刀具安装在一个可以前后移动的平台上，我们称为锯车。锯车上 有夹具，锯片，锯切电动机。锯车上的夹具一般由液压系统提供动力，夹紧与松 夹由电磁阀的吸合来控制，电磁阀的吸合信号来自计算机系统，锯片的进锯和抬 锯由气缸驱动，气缸上的电磁阀吸合信号同样来自计算机系统。在进锯极限和抬 锯极限上有接近开关，开关信号作为锯片位黄的反馈信号输入至计算机系统。驱 动锯车的电机( 称为主轴电机) 可以是直流电机、伺服电机、或异步电机：传统 ， 沈n l 理t 大学硕士学位论文 的飞锯系统的锯车电机一般可选用低惯量直流电动机，锯切电动机一般可选用交 流电动机。锯车电机调速系统一般为直流可逆调速系统。光电脉冲编码器作为位 移传感器是被控对象反馈信号的输入通道。光电脉冲编码器用来测量旋转设备的 位置，它的输出是脉冲信号，通过处理可以向计算机系统提供位置和速度反馈。 2 2 定尺飞锯控制系统工作过程 ! ! 墨殳一 ：! 卜兰堑一 ；，一t ，i 缣舻型； ! i ：【f j 焊管移动 锯车原位 零位 零位 图2 2 飞锯机工作原理 焊管移动 锯车启动 焊管移动 锯车与焊管 同速 焊管移动 锯车同步跟踪 图2 3 飞锯工作循环图 如图2 2 所示，经过轧制的焊管以线速度u 运动。初始状态下锯车静止且处于 零位位置，焊管端头与锯口平齐。之后，当焊管运行到使端头伸出锯口，即偏离 零位长度达到厶。时，计算机系统控制锯车电机，驱动锯车以恒定加速度口跟踪焊 管速度h 。当锯车速度v = u ，即锯车与焊管同步，且焊管伸出锯口长度为设定待 第2 章通用定尺e 锯的工作原理 切长度厶，系统发出锯切信号，以实现同步定长锯切。锯切完毕，锯车以高速返 回零位，为下次锯切做准备。如图2 2 ，厶。为锯切时焊管端头距零位距离；5 2 。为 锯切时锯车距零位距离。 由以上分析得出锯切条件 1 7 ： ( 1 ) v = v ，速度闭环，锯车与焊管同步 ( 2 1 ) ( 2 ) 厶= 厶l 一三2o 达到定尺精度 ( 2 2 ) 据此，我们得到了系统最终的被控量：速度和位置，设厶，厶分别为焊管端 头和锯车到零位的长度，引入残长& = 厶一( 上l 一厶) ，最终形成位置和速度双闭环 可逆调速系统，位置环控制锯切长度；速度换控制锯车与焊管同步。稳态控制平 衡点为& = 0 ；v = v t ，当品= 0 时，厶= 厶| i 厶= 厶。 如图2 3 飞锯工作循环图可以看出，锯车的工作循环是严格按照一定的时序动 作的，如果有一个环节出现差错，都将导致工作的失败，轻则节拍失控，重则打 锯片。因此，严格遵守各时序的动作将是非常重要的。 至于飞锯的加减速环节的介绍及相关的控制算法，我们将在第三章的锯车速 度控制曲线的整定中详细介绍，此处不加以赘述。 2 3 定尺飞锯控制器硬件电路 为了便于清楚的介绍控制器工作原理，选定调速系统为常见的直流可逆调速 系统，硬件部分则采用传统飞锯常用的1 6 位芯片8 0 c 1 9 6 k 1 8 以及由8 2 5 3 ，8 2 7 9 ， d a c l 2 1 0 和8 2 5 5 等组成的外围电路 1 9 。 分别用8 2 5 3 定时计数器t o 、z 定时计数器对锯车正、反向行程脉冲进行计数， 在程序初始化阶段，将8 2 5 3 的t o 、正设置为1 6 位计数工作方式，工作方式0 。计数 器计满后溢出复位，再重新开始计数。8 2 7 9 键盘、显示器接口芯片工作在显示器 工作方式，接收到显示数据后，按编码扫描方式对1 0 位共阴极l e d 进行显示扫描， 无须软件跟踪。l o 位l e d 中6 位显示焊管长度、4 位显示焊管速度。d a c l 2 1 0 为1 2 位 高精度d a 转换芯片，根据计算机系统输出数据为调速系统提供要求范围内的电压 信号。6 位b c d 拨码开关用来输入定尺长度。将b c d 拨码开关输出的二进制键值经 8 2 5 5 输入到c p u ，8 2 5 5 并行i o 接口芯片设为工作方式0 ，a ，b ，c n 都设为输入口。 沈阳理下大学硕士学位论文 2 3 1 脉冲测量和倍频电路 2 3 1 1 脉冲测量 2 0 如图2 1 所示，焊管行程测量由光电脉冲编码器g m 2 与焊管无滑移接触，将焊 管的直线运动变成测速辊的圆周运动，测速辊带动测长光电脉冲编码器g m 2 ，焊 管移动距离以脉冲形式送入计算机，计算机通过计数器时刻记录焊管移动的长度， 通过计算，得到焊管的长度和速度，并在控制面板上显示出来。 近年来，国内一直使用数字式反馈元件( 如光电编码器) 来取代测速电机， 因为它不像测速电机输出电压会受到磁场的影响，而且输出信号纹波小，与计算 机接口及配置数显方便，可以保证系统的测量精度。光电编码器是利用光栅衍射 原理实现位移一数字变换的，在精密定位、速度、长度、加速度、振动等方面荦导 到广泛的应用。光电脉冲编码器每转一圈，它的a ，b n 相脉冲分别输出1 0 0 0 个脉 冲，软件计算是按照脉冲当量0 1 m m e 2 13 计算，即每个脉冲表示钢管移动0 1 m m ，测 量辊周长为3 5 0 m m ，脉冲处理电路又将a ，8 两相脉冲经过r c 电路及施密特反相器 滤波后四倍频，即4 0 0 0 个脉冲对应3 5 0 m m ，这时脉冲当量不是0 1 m ，所以对脉冲数 要乘以一个系数口。 口：3 5 0 0 ：0 8 7 5( 2 3 ) 4 0 0 0 这样通过计数器输入到计算机中的脉冲当量才是0 1 m m 。 锯车行程脉冲测量原理与电路和上述焊管脉冲测量基本相同，测量锯车的光电脉 冲编码器g m l 同轴安装在锯车电动机上，参数仍为每转a ，b n 相各输出1 0 0 0 个脉 冲，a ，b 两相相位差为9 0 度。锯车的传动为锯车电机带动减速机，减速机齿轮与 锯车下部的齿条相啮合，从而带动锯车前后移动，锯车脉冲当量同样为0 1 m m ，这 样需要知道减速机速l l i ，齿条传动齿轮节圆直径为d ，可计算出锯车脉冲的脉冲 系数。电动机每转一圈锯车行程为( 3 1 4 x d i ) ，所以有下面的公式 b x l 0 0 0 x 口0 1 ：3 1 4 !( 2 4 ) f 所以 口，：3 1 4 d 1 0 0 i( 2 5 ) 一 口 式中，雪脉冲倍频数 1 0 第2 章通用定尺飞锚的工作原理 10 0 0 一电机编码器脉冲数转 f 一减速比 锯车行走距离：l = 电机脉冲数倍频数口，0 1 在对锯车脉冲计数过程中需要对脉冲进行方向判颟，即判别是锯车正向运动 的计数脉冲，还是锯车反向运动的计数脉冲。锯车前进时相当于焊管缩短，锯车 返回时相当于焊管变长。所以锯车的正反向行程要分别由两个不同的计数器计数， 并且判相电路应将脉冲分配给前进、后退通道，供计算机进行焊管长度计算，同 时根据计算结果控制锯车行程。 2 3 1 2 鉴相和倍频电路 2 2 1 ) 鉴相原理。光电编码器脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。由于 所测量的旋转是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输 出信号进行鉴相之后才能计数。光电编码器的a 相波形由内圈光栅产生，b 相波形 由外圈光栅产生。a b 两相脉冲相位相差9 0 度，并且共同携带光电盘角度位置信息 和转动方向信息。可通过比较a 相在前还是b 相在前，以判别编码器的正转与反转。 当编码洲顷时针方向转动时，a 相脉冲前沿超前于b 相；逆时针方向转动时，b 相脉 冲前沿超前于a 相。其脉冲波形图如图2 4 所示。 a 相 厂 厂 厂 删针b 相厂 厂 厂b 相_ jl l l a 相厂 厂 厂 削针b 相 厂 厂 厂 相一l 一l 一 l 图2 4 光电码盘脉冲波形 因为电机正转时，脉冲a 超前，脉冲b 滞后；电机反转时，脉冲b 超前，脉冲a 滞后。利用这一特点，给光电编码器配置少量的外围电路，就可以根据a 相和b 相 脉冲对位置的计数和方向的指示进行译码。电路如图2 5 所示： 沈1 理工大学硕士学位论文 图2 5 码盘外围译码电路 这是一个数字滤波电路，当光电编码器的转速较低时，a ，b 两相脉冲序列的 脉冲上升时间和下降时间比较慢，用四个斯密特触发器7 4 h c l 4 可避免数字电路中 因较长脉冲的上升和下降时间而引起的振荡。由r c 电路和异或门构成的单稳态触 发器可以在每一个相脉冲的边沿处产生一个脉冲，a s h o t 作为b 相的时钟，b s h o t 作为a 相的时钟。当电机改变转动方向时，有可能产生振荡而反复产生边沿；当电 机由一个位置转到另一位置停下来时，也可能因振荡而反复产生边沿。由这种电 路构成的数字滤波器，可以确保在不存在另外一相边沿的情况下，单纯一个相重 复产生的边沿不会通过电路反馈送给处理器造成虚假计数。经过这种数字滤波后， u 2 ( 7 4 h c 8 6 ) 输出c o u n t 正确反映锯车、焊管的长度增量u 4 ( 7 4 h c 7 4 ) 输出、 d i r e c n 0 n 指示锯车、焊管的转动方向。编码器瞬时针方向转动时，输出低电平， 反之输出高电平。值得注意的是：编码器转动方向改变后第一个脉冲边沿将丢失， 但这不影响计数，因为两个方向都会产生第一个边沿丢失的现象，它们对计数的 影响互相抵消。锯车脉冲、焊管脉冲各用一套这种数字滤波电路。在图2 5 中u 4 的两个输出端分别控$ 1 j 8 2 5 3 计数器中露和互的g a t e 端，其中露为锯车正向行程 脉冲计数器，正为锯车反向行程脉冲计数器。这样当锯车正向运动时，正计数器被 禁止，瓦打开，脉冲计入到瓦中；锯车反向运动时，r o 计数器被禁止，互被打开， 脉冲计入z 中。判相指示灯在锯车正向运动时亮，锯车反向运动时，指示灯灭。 第2 章通t 【 j 定尺飞锯的工作原理 图2 5 电路的工作时序如下图2 6 所示。 厂 厂 一r 厂 厂 厂 厂 厂 一 厂 r 厂 c 卿，肼厂 厂 厂 厂 厂 厂 一 厂 厂 厂厂 厂 卯，删厂一 图2 6 逻辑电路工作时序 2 ) 四倍频电路 2 3 。 焊管脉冲直接用8 0 c 1 9 6 k b 上的t i m e r 2 ( 定时器2 ) ，n m e r 2 是一个1 6 位外 部时钟触发的向上向下计数器，在输入信号的上升沿和下降沿都产生计数。 t i m e r 2 有两个输入脚，一个t 2 c l k ( p 2 3 ) 是外部时钟输入角，另一个t 2 u p d n ( p 2 。6 ) 是计数方向控制角。t 2 u p d n = i 时，向上计数：t 2 u p d n = o 时，向下计数。 电路如图2 6 所示。 r 2 c 丁2 图2 7 定时器t 2 与编码器接口电路 图2 6 中的译码电路见图2 5 ，采用图2 4 这种数字滤波电路在c o u n i 上得到的脉冲 已将a ，b 相脉冲两倍频，由于焊管脉冲需四倍频，将c o u n t 经光电藕合电路送到 8 0 c 1 9 6 k b 的t i m e r 2 ，t i m e r 2 可在输入脉冲的上升沿和下降沿都产生计数，即 可得到四倍频的钢管脉冲。锯车脉冲只需两倍频，直接经光电藕合电路送到8 2 5 3 的磊互计数器。c p u 在读取数据时，直接到上述三个计数器读取。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 3 2 直流调速信号给定 直流调速给定信号是控制锯车运行速度的模拟输入量，作为高速系统模拟p i d 调节 器的输入。该输入量的大小由软件控制模型根据对钢管位置、速度及锯车位置和 速度采样值的计算，输出一个数字量，经1 2 位d a 转化成模拟量，该量是闭环控制 系统的输出，随着锯车在追踪焊管的过程中两者距离的缩小，时刻在变化。该输 入量关系着锯车能否快速，平稳地接近预定点定尺，在锯切过程中能否保持与焊 管高度的同步。8 0 c 1 9 6 k 根据采集的数据及信号，在发出锯车启动指令后向 d a c l 2 1 0 z 4 送出调速给定信号，经d a 转换后输入到直流调速系统。由于直流调速 系统输入电压要求范围在一1 0 v _ _ + l o v ，而d a c l 2 1 0 是电流输出型，转换参考电压 是+ 5 v ，所以在d a c l 2 1 0 的输出端加两级运算放大器o p 0 7 ，第一级运放是单极性电 压输出，第二级是双极性电压输出，同时将输入电压放大二倍。这样d a 输出电压 范围是o v + 5 v ，经两极运放后输出范围是一1 0 v + 1 0 v 。 2 3 3 显示与时序控制 整个系统在工作中时刻显示钢管的长度、速度，c p u 经过对采样值的计算， 得出长度、速度；由8 2 7 9 可编程显示芯片对l o 位l e d 显示器进行自动扫描显示， 不需要软件跟踪；当c p u 判断定尺精度达到要求后，发出一系列动作指令，这些动 作即前文所说的夹紧、进锯、锯切、抬锯、松夹等。这些动作是时序动作，即每 个步骤严格按照顺序执行，前一步骤没有完成，后一步骤不能执行。夹紧到位时 开始进锯锯切，锯切到位时开始抬锯，抬锯到位时开始松夹，松夹到位时发出一 个返回信号每一步都由上一步的位置控制，只要步不完成，下一步就不能动作， 避免事故的发生。在c p u 内部r a m 中开辟了系统状态单元，在进入每一工作状态前 向状态单元中写入相应的状态字，即在将进入下工作状态前，置入下一工作状 态的控制字。程序在每个工作周期内，都要判断当前工作状态的指令，比较状态 单元中的状态字，如果状态字吻合，程序才进入相应的子程序，否则程序仍运行 在与本工作状态相对应的子程序内。它只执行本工作状态内的动作。例如，当飞 锯工作在夹具夹紧的过程中时，软件除执行显示长度和速度子程序外，执行的是 夹紧子程序，在该程序内，软件在每次循环中都检测夹紧到位信号，一旦检测到 夹紧到位信号，先向工作状态字单元中写入“进锯”状态字，如果没有夹紧到位 1 4 第2 章通用定尺飞锯的下作原理 信号，工作状态字不变，程序在下一次运行中检查工作状态字单元，状态字仍为 “夹紧”状态字，则继续执行夹紧子程序，若状态字为“进锯”状态字，则转入 进锯子程序。这样软件上做到了由c p u 完成的时序控制。硬件电路上所有信号都经 光电藕合器件输入，防止干扰信号串入，引起误动作。 2 3 4 状态信号的输入 整个系统所需的状态信号：输入方面有以下信号，在锯切过程中有夹紧到位、 进锯到位、抬锯到位、松夹到位信号、锯车正反向判断信号、焊管正反向判断信 号；另外检测锯车位置的状态信号有：前进极限信号、后退极限信号、零位信号； 从操作台上用按钮输入的信号有：自动、手动、紧急故障、短尺信号。系统输出 信号有：发给锯车的动作指令启动、夹紧、进锯、抬锯、松夹、返回指令。 上述位置输入信号的产生是靠安装在各个检测点上的接近开关发出，这种开 关内部有磁性材料，当有金属接近时吸合，将改变电平状态。输入经光电藕合进 8 0 c 1 9 6 k b 的p 0 ，p 2 口，其分配情况如下：p o 7 手动、p 0 6 自动、p 0 5 零位、p 0 4 短尺、p 0 3 夹紧松夹、p 0 2 迸锯极限、p o 1 抬锯极限、p 0 0 返回、p 2 2 紧急故障、 p 2 4 锯车方向、p 2 6 钢管方向。上述位置检测通过8 0 c 1 9 6 k b 的位测试指令j b c p p 0 p 2 ，# b i t n o ，c a d d 或j b sp o p 2 ，# b i t n o ，c a d d 在软件中判断系统的工作状态。 j b c j b s 指令用来测试寄存器的某一位状态，b i t n o 为被测试位，取位0 7 ，c a d d 为跳 转地址。p o ，p 2 口可被看作寄存器进行操作，j b c 指令是测试位为“0 ”时跳转； j b s 是测试位为“1 ”时跳转。 2 4 本章小结 本章主要介绍定尺飞锯机的工作原理和工作过程。简单介绍了定尺飞锯的基 本设备结构和工作过程( 设备结构包括电气系统、机械系统和检测系统等) 。重点 描述了以1 6 位芯片8 0 c 1 9 6 k 以及由8 2 5 3 ，8 2 7 9 ，d a c l 2 1 0 和8 2 5 5 等组成的飞 锯控制系统的硬件工作原理。 沈阳理工大学硕士学位论文 第3 章定尺飞锯系统柔性加减速算法的研究 3 1 引言 柔性加减速控制技术 2 5 是飞锯系统开发的关键技术之一，焊管加工的目标是 实现高精度高效率的加工，因此一方面要求飞锯机的锯车能够反应迅速，能在极 短的时间内达到指定的速度，又能在高速运行中快速准确的停止在预定位置，缩 短准备时间；另一方面要求系统切割过程中运动平稳，冲击小。如何能保证在飞 锯机运动平稳的条件下，实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律， 使其满足高速切割钟的加减速特性，本章做了以下工作，首先分析原有采用直线 加减速控制的f j 定尺飞锯控制系统的工作时序特点，对比了目前比较前辈们总结 出的几种经典速度控制算法时，发现有以下不足：指数加减速 2 6 直线加抛物线加 减速 2 7 在速度变化的起点和终点仍有加减速突变、存在柔性冲击，其加加速度无 穷大，会产生较大振动和冲击；s 曲线加减速 2 8 起始和终点速度过渡平滑，不过 其加减速变迁过程分为7 段，计算复杂，而且加加速度不连续，造成柔性受限，影 响系统的稳定。三角函数曲线 2 9 速度、