（机械制造及其自动化专业论文）密闭式炼胶机比例伺服阀控制器的开发.pdf

独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示t n 意。 彳 作者签名：垒邀日期：翻盈：! 兰：孳 大连理1 二大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 垒坠 迅垂塑 兰! 堑一年三月丝日 大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 橡胶行业的快速发展给炼胶机械带来了机遇和挑战。比例伺服阀控制器是密闭式炼 胶机中的关键部分，主要实现炼胶机液压缸的开环流量控制和闭环压力控制，其控制精 度决定着密闭式炼胶机的炼胶效果。本文根据实际需求，阐述了密炼机比例伺服阀控制 器的工作原理和设计过程中所涉及到的基本知识，并对关键环节进行详细分析。 本文所述的密炼机比例伺服阀控制器是以单片机m s p 4 3 0 f 1 6 7 为核心部件的工作 系统，通过( 2 4 3 0 编制的软件程序支持，能够对各种电信号进行处理、运算，继而驱动 比例伺服阀进行相应动作，实现对液压缸的开环、闭环控制。在硬件上采取了独立电源、 光电隔离、屏蔽外壳等措施加强系统的抗干扰性能，使系统能够在恶劣的工况下正常运 行。系统软件采用时间触发式结构，所有任务都在一个称作“合作式调度器”的程序调 用下完成。这种软件组织结构使系统更加可靠，可预测。本文还对控制器在线参数修改 进行了探讨。p c 机通过r s 2 3 2 对控制器发送命令，并对工作状态数据进行实时接收、 显示，从而能更加直观地观察到系统的工作情况，有利于参数调整。作为数据采集系统 的p c 机程序，采用v i s u a lb a s i c 语言编写。 经过现场实际调试，运行缩果表明：系统整体设计合理、性能可靠，实现了预期的 设计目标。 关键溺： 铡饲黻阀；密闭式炼腔梳；m s p 4 3 0 ；r s 2 3 2 ；融蠲触发式嵌入式系统 李沐：密闭式炼胶机比例伺服阀控制器的开发研究 d e v e l o p m e n t o fs e r v oa n dp r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o l l e rf o ri n t e r n a l r u b b e rm i x e r a b s tr a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fr u b b e ri n d u s t r yb r i n g so p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g et or u b b e r m a c h i n ei n d u s t r y t h es e r v oa n dp r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o l l e ri st h ek e yp a r to fi n t e r n a l r u b b e rm i x e r , w h i c hc a nc o m p l e t et h ec l o s e l o o pc o n t r o la n do p e n - l o o pc o n t r o lo fh y d r a u l i c c y l i n d e r t h ec o n t r o l l e r sc o n t r o la c c u r a c yd e c i d e st h eq u a l i t yo fr u b b e r i no r d e rt om e e ts u c h k i n do fd e m a n d ，t h i sp a p e re x p a t i a t e so nb a s i ct h e o r i e sa n dk n o w l e d g ei nd e s i g n i n gas e to f s e r v oa n dp r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o l l e rf o ri n t e r n a lr u b b e rm i x e r a n dt h er e l a t i n gk e y t e c h n o l o g yi sa l s og i v e ni nd e t a i l si nt h i sp a p e r t h em c um s p 4 3 0 f 1 6 7i su s e da sac o r ec o m p o n e n ti nt h i ss y s t e m w i t ht h eh e l po f s o f t w a r ep r o g r a m m e di nc 4 3 0l a n g u a g e ，t h es y s t e md r i v e ss e r v oa n dp r o p o r t i o n a lv a l v et o e x e c u t er e l e v a n tw o r ka f t e rd i s p o s i n ga n dc a l c u l a t i n ge a c he l e c t r i cs i g n a l ，a n dt h ec o n t r o l l e r b e c o m e sa no p e n - l o o po rc l o s e - l o o ps y s t e m t h em e a s u r e so fs e p a r a t e dp o w e r , p h o t oi s o l a t e f o ri n p u t o u t p u ta n ds h i e l d e dc r u s tm a k et h es y s t e mm o r es t r o n gi nr e l i a b i l i t i e s t h ec o n t r o l l e r s o f t w a r es y s t e mi sb a s e do nt i m e t r i g g e r e de m b e d d e ds t r u c t u r e a l lt h et a s k sc a nb er e q u e s t e d b y a p r o g r a mc a l l e d “c o o p e r a t i v e ”t h i sp r o g r a ms t r u c t u r e m a k e st h e s y s t e mw o r k p r e d i c a b l l ya n dm o r es a f e l y r e s e a r c ho np a r a m e t e rc h a n g i n go ft h es y s t e mi sa l s od i s c u s s e d i nt h i s p a p e r p cp r o g r a ms e n d sc o m m a n ds i g n a l t ot h ec o n t r o l l e r a tt h es a m et i m e ，i t r e c e i v e sa n dd i s p l a y st h ew o r k i n gs t a t u ss i g n a lf r o mt h ec o n t r o l l e r s op a r a m e t e rc h a n g i n go f t h es y s t e mb e c o m e sm o r ec o n v e n i e n t t h ep cp r o g r a mo fd a t ac o l l e c t i n gi sp r o g r a m m e db y v i s u a lb a s i cl a n g u a g e t h ed e b u g g i n ga n dr u n n i n go ft h es y s t e mi n d i c a t et h a tt h ew h o l ed e s i g ni sf e a s i b l ea n d r e l i a b l e ，a n dt h ep r e s u m e df u n c t i o n sh a v eb e e ni m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：s e r v oa n dp r o p o r t i o n a lv a l v e ；i n t e r n a lr u b b e rm i x e r ；m s p 4 3 0 ；r s 2 3 2 ； t i m e - t r i g g e r e de m b e d d e ds y s t e m 1 1 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 引言 随着中国橡胶工业协会正式加入国际橡胶研究组织( i r s g ) ，在中国橡胶工业协会 在京召开中国橡胶工业发展及对全球影响研讨会上，i r s g 专家来华交流中国轮胎和橡 胶领域的未来以及对全球橡胶产业的影响。i r s g 认为，中国橡胶工业在整体经济和世 暴橡胶产业中具有战略重要性，长期发展前景看好。 i r s g 认为，最近几年中国橡胶工业的发展给世界留下了深刻印象，其总体橡胶消 费的平均增长率从1 9 6 0 年开始一直保持在8 ，是全球平均值3 4 的2 倍多。2 0 0 2 年 中国橡胶消费总量为3 0 6 万吨( i r s g 统计) ，成为全球最大橡胶消费国，占全球橡胶消 费的比例激增至1 7 。中国橡胶工业在整体经济和世界橡胶产业中具有战略重要性，长 期发展前景看好，而且相对优势可能越来越大。中国橡胶经济的发展成为世界橡胶行业 及国际组织所关注的重点。为此，i r s g 专门设立了“中国轮胎和橡胶领域的未来以及 对全球橡胶工业的影响”的研究课题。 到2 0 2 0 年，中国轿车胎和载重胎产量均将达到1 亿条。1 0 年后，中国将成为世界 上最大的载重胎生产国。至2 0 2 0 年，中国橡胶消费量将达到7 5 0 万吨，占世界橡胶消 费总量的3 5 4 0 。 伴随着橡胶业的蓬勃发展，橡胶机械也迎来了又一个春天。目前炼胶机主要分为两 种：密炼机和开炼机。开放式炼胶机( 简称开炼机) 是一种以两个辊筒为主要工作部件加 工各种橡胶胶料用的机器，它在一般橡胶加工中用作橡胶的塑炼、混炼、压片和热炼等， 在再生胶生产中用作废旧橡胶的破碎、精炼等。常用的密闭式炼胶机( 以下简称密炼机) 有转子相切型和转子啮合型两种类型。主要用于塑胶的混炼及其它物料的混合等。对上 述用途，密炼机完全可以代替开炼机，且生产效率和自动化水平大大提高，劳动条件得 以改善。 1 2 国内外现状及发展趋势 塑胶机械行业是为塑料制品行业提供加工装备的，近几年中国的塑胶机械行业发展 迅速，其发展速度与所创主要经济指标在机械工业的1 9 4 个行业中名列前茅。塑胶机械 年制造能力约2 0 万台( 套) ，门类齐全，在世界排名第一。 目前中国的主要塑胶机械制造企业近4 0 0 家，大、中企业2 0 0 家左右，上规模的骨 干企业有l o 家。新兴塑胶机械企业掌握高新技术，具有科技创新、制度创新、管理创 新等一系列特点，己引起国内外同行的注目。 李沐：密闭式炼胶机比例伺服阀控制器的开发 中国塑胶机械虽然发展很快、生产品种也较多，基本上能供给国内塑料原料加工与 塑料制品加工、成型所需的一般技术装备，个别产品也进入世界前列，但与工业发达国 家如德国、日本、意大利相比，中国塑胶机械还有一定差距，主要表现在品种少、能耗 高、控制水平低、性能不稳定等方面。 目前中国塑胶机械产品主要集中在通用的中小型设备上，技术含量低，2 0 世纪8 0 - 9 0 年代的低档产品供大于求，机械制造能力过剩，企业效益下降。有的品种特别是超精大 型高档产品还是空白，仍需进口。据2 0 0 1 年统计，中国进口塑胶机械使用外汇1 1 。2 亿 美元，而出口塑胶机械创汇只有1 3 亿美元，进口远大于出口。 中圜加入世界经贸组织( w t o ) 后，国外的机械制造业加速对华转移，世界一些知名 的塑胶机械企业，如德国德马克、克虏伯、巴登菲尔，日本住友重工等公司先后“进驻” 中国，有的还进一步设立了技术中心。国外塑胶机械制造商的进入给中国塑胶机械行业 带来了发展活力，同时也使中国塑胶机械制造企业充满了机遇与挑战。 1 2 1 密炼机发展现状 密炼机亦称密闭式炼塑机，主要用于塑胶的混炼及其它物料的混合等。对上述用途， 密炼机完全可以代替开炼机，且生产效率和自动化水平大大提高，劳动条件得以改善。 目前世界主要工业国家密炼机的生产都己形成系列，基本上有4 种类型： 1 - 2 ( 1 ) 以美国法勒尔一伯明翰公司生产的本伯里式为代表的f 系列密炼枫； ( 2 ) 以德国维尔纳一普弗莱特勒公司的产品为代表的g k 系列密炼机； ( 3 ) 以英国弗兰西斯一肖公司产品为代表的k 系列密炼机； ( 4 ) 以日本森山制作所生产的产品为代表的m s 系列加压密炼机。 2 0 世纪9 0 年代以来，这4 种类型密炼机都在向快速、高压、大容量和加料与操作 程序自动化方向发展，并用微机控制。总体上，前3 种系列的密炼机基本结构相近，其 主要差别在于转子的构型及密炼室结构不同。而第4 种m s 系列的主要结构与前3 种系 列相比，有较大的变化。上述几种密炼机，按时间顺序来讲后者对前者既有借鉴与继承， 也有改进和创新。在国际市场的竞争中，它们之间既有相互吸收，也有自我改进和发展， 各具特色。 中国生产的密炼机基本上属于f 系列、g k 系列和m s 系列，技术参数与主要性能与 上述3 种系列相当，外形也很相似，但规格不全，尚未形成完整的系列。 国内密炼机最大的生产商为湖南益阳橡塑机械集团和大连冰山橡塑般份有限公司。 国内生产的密炼机的机械结构形式多为上、下顶拴结构，控制系统全部采用国外的控制 系统。如大连冰山橡塑股份有限公司和益阳橡胶塑料机械集团生产的密炼机都采用 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 b o s c h 的伺服阀控制器引。 12 2 密炼机及电液控制系统发展的趋势 人们一直将橡机的高性能化、多功能化、精密化和效率化列为重要的研发课题，并 将其视为橡胶工业实现现代化的关键。随着信息产业、光机电一体化等高新技术的发展 并在橡机行业得到成功应用，近年来橡机的面貌发生了很大变化，不断推出各种技术含 量高的橡机新产品。如温控、时控、能控三位一体的智能型密炼机，无泄漏、低澡音、 节能耗的环保型密炼机。再如收缩变形小、尺寸精度高、挤出速度快的精密型挤出机， 裁剪、粘贴成型与硫化结合一体的多工位功能型注压成型机。另外，还有连续硫化生产 线，节能群控自动硫化机等等。这些设备的推广使用，将使橡胶工业由传统劳动密集型 进入现代技术密集型时代。小型化、精密化、高效化和节能化将是橡机发展的共同方向。 传统电液控制系统经过5 0 多年的发展，在各方面的发展已趋于成熟，例如其核心 元件伺服阀，经过几十年的不断改进，从结构、材料、加工精度等方面日臻完美，通常 设计上所作的修改只不过是为提高阀的性能、增加产量或降低成本所作的一些细微的修 正。但随着现代高新科技的飞速发展，电液控制技术日益受到来自电子、机械技术的竞 争匿力，为了保持竞争力，并不断满足日益苛刻的工作条件和要求，液压技术必须从三 个方面进行发展：( 1 ) 充分利用并不断加强液压技术固有优势；( 2 ) 补偿并改进液压技术 的不足；( 3 ) 借鉴并吸收其它技术的优点。因篇幅所限。本文仅从第三个方面来探讨液 压技术的现状和发展。1 4 6 1 ( 1 ) 电液元件 伺服比例阀 由于伺服阀严格的介质清洁度要求和昂贵的价格，使电液伺服系统的应用受到极大 的限制。7 0 年代，日本等国推出了电液比例阀，但由于其在中位具有1 0 一2 0 的死区， 只能用于开环控制系统，但国际上的著名液压公司如b o s c h 、r e x r o t h 、v i c k e r s 等不断 采用微电子技术的最新成果，提高比例阀的性能，使比例阀的改进出现了质的飞跃，其 中最突出的是德国b o s c h 公司推出的伺服比例阀( 闭环比例阀) a 元件的数字化 当前，由于微电子技术的迅速发展，其向各个领域的渗透已成为该领域的发展方向， 同样，电子技术同液压技术的结合，也是液压技术发展的一个主要方向。在元件级上可 以理解为r r 内装，和“集成双重的涵义，通过把电子控制装置安装于传统阀、缸或泵 内，并进行集成化处理，形成种类众多的数字产品。 在数字化元件中，系统地性能是由软件控制的，所以要改变设计方案，只要改变相 应的程序即可；同时，也可以方便地实现多种功能。为了得到较高的控制精度，可以通 3 大连理工大学硕士研究生学位论文 被少数几种类型的进口产品所垄断。本课题为了解决这一实际问题对密炼机控制器进行 了国产化尝试。在充分了解国外公司控制器的情况下，设计开发出具有自主产权的密炼 机比例伺服阀控制器。 本课题为工程实际项目，根据产品要求，大体确定以下研究内容： f 1 1 开发两套既有联系，又能独立工作的系统：伺服阀电子控制器与上位机数据采 集系统； f 2 ) 伺服阀电子控制器所要解决的主要工作： 接收液压缸的两模拟信号p a 、p b 和p l c 系统传过来的设定压力模拟信号p s 。同 时接收p l c 过来的的上下行控制信号，液压缸位置反馈信号。 将上述模拟量转换为数字量，经过调零、调满之后，一方面送数字量到l c d 显 示，另一方面根据情况判断并选择开环速度控制或是闭环压力控制。通过d a 转换将控 制值送到伺服阀中。 ( 3 1 上位机数据采集系统所要解决的主要工作： 通过该软件在线修改参数。 通过该软件接收下位机的数据，并实时绘制流量控制或压力控制的控制曲线。 通过该软件在线标定传感器 ( 4 ) 该系统要达到较高的稳定性、快速性。 为了能对整个系统进行整体的阐述，突出对问题的解决说明，限于篇幅，本论文将 重点讨论以下几个方面： f 1 ) 总体方案规划 主要介绍了系统总体框架的组成和分层结构，提出了以单片机为核心的测控系统思 想。 f 2 1 系统硬件电路的研制 主要介绍了单片机系统中各部分功能模块的具体实现方法和原理，并对所需元器件 进行了比较与选择，同时介绍了各模块具体硬件实现电路设计。 f 3 1 系统软件编制 主要介绍了系统中各项功能的软件实现方法，并给出了部分程序流程图和部分程 序。 f 4 1 系统可靠性及抗干扰设计 主要介绍了为提高系统的可靠性与抗干扰能力而采取的相应措施，包括硬件抗干扰 措施和软件抗干扰措施两方面。 f 5 、系统调试 李沐：密闭式炼胶机比例伺服润控制嚣的开发 分别介绍了实验室调试和现场调试步骤以及调试方法，并对调试过程中出现的问题 进行了分析。 大连理：l 大学硕士研究生学位论文 2 系统总体规划 2 1 系统总体方案设计思路 本课题最终实现的总体功能是：以液压比例伺服阀控制器为核心对炼胶机液压缸进 行开环流量和闭环压力控制。 伺服阀控制器接收控制中一t l , ( p l c ) 的控制信号( 设定压力) 和液压缸来的上下腔 压力信号，通过计算控制比例伺服阀，进而控制上顶栓压砣。与此同时对控制中心设定 压力与液压缸的实际压力值进行显示便于操作者观察控制效果。另外，系统可以和p c 机相连，进行参数设定和实时数据采集，提高系统的智能化。 总体方案设计示意图如图2 1 所示，系统示意图如图2 2 所示。 吴 a c t o r 图2 1 总体方案示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cv i e wo fg e n e r a ld e s i g n 2 。2 炼胶机液压系统执行机构简介 为了研究和生产一个机电一体化产品，必须了解和熟悉与机电相结合的关键部件 执行器。 图2 _ 2 为炼胶机上顶栓液压系统的示意图，执行器主要包括比例伺服电磁阀和上顶 栓执行机构。 f 1 1 比例伺服电磁阀【7 8 0 由于伺服阀严格的介质清洁度要求和昂贵的价格，使电液伺服系统的应用受到极大 的限制。7 0 年代，日本等国推出了电液比例阀，但由于其在中位具有1 0 - - 2 0 的死区， 只能用于开环控制系统，但国际上的著名液压公司如b o s c h 、r e x r o t h 、v i c k e r s 等不断采用微电子技术的最新成果，提高比例阀的性能，使比例阀的改进出现了质的飞 7 李沐：密闭式炼胶机比例伺服阀控制器的开发 跃，其中最突出的是德国b o s c h 公司推出的伺服比例阀( 闭环比例阀) ，其主要特征 如下： 比例伺服阀消除了传统比例阀固有的中位死区，可应用于闭环控制系统中； 动态相应好静态精度高： 比例伺服阀的抗污染能力强，提高了可靠性。 图2 , 2 系统示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cv i e w o fs y s t e m q 。 ：加 ，冬 j ? 厂 田l 2 0 a ， 。 图2 34 w r l e 2 5 特性监线 f i g2 3c h a r a c t e r i s t i cc h i v eo f4 w r l 2 5 8 设 定 压 力 大连理工大学硕士研究生学位论文 本系统采用的是b o s c h 公司的伺服比例阀4 w r l e2 5 v 3 7 0 m3 x g 2 4 k o a 1 m ， 其特性曲线如图2 3 所示。该比例伺服阀内置功率放大器，输入信号可以为1 0 v 或 4 - 2 0 m a 的信号。输入信号为电压信号时，输入阻抗为l o o k q ；输入信号为电流信号时， 输入阻抗为2 0 0 q 。 ( 2 1 上顶栓机构 上顶栓机构主要由液压缸和压砣组成。液压缸的作用是将液动力转换成机械力，带 动压砣作上下运动。密炼机的上顶栓机构一般为如图2 2 所示结构。左右两液压缸必须 对称。在美德公司的产品中，上腔面积为5 9 c m 2 ，下腔面积为1 2 3 c m 2 ，液压缸大小强比 例为2 0 8 。 2 3 比例伺服阀智能控制器设计方案 智能控制器就是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有似人智能特 性或功能的仪器。为了实现这种特性或功能，智能仪器中一般都嵌有微处理器( 或数字 信号处理器) 及专用信号处理电路，仪器内部带有处理能力很强的智能软件。仪器仪表 己不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合，软件决定仪器智能高低的新型仪器。 仪器与微处理器相结合，取代了许多笨重的硬件，内部结构和前面板大为改观，节 省许多开关和调节旋钮。微处理器通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪 器的运行，执行常规测量，对数据进行智能分析和处理，数字显示或传送，而传统的模 拟方法是很难做到的。 9 j 比例伺服阀智能控制器就是应用新型单片微处理器m s p 4 3 0 f 1 6 7 结合现代控制理 论将控制、设定、显示、输入输出等有机结合成一体，形成的新型智能仪表。这样可以 大大简化控制系统的设计、安装、调试、操作和维护，并使可靠性大大提高，系统造价 和运行维护费也会显著降低。比例伺服阀智能控制器所实现的主要功能有： ( 1 ) 接收现场液压缸压力传感器反馈的上下缸实际压力模拟量a 0 、a 1 ( 4 2 0 m a 或0 1 0 v ) ，进行a d 转换，并进行滤波和整定，处理为相应的数字量； ( 2 ) 接收p l c 传送来的设定压力模拟量a 2 ( 0 1 0 v ) ，线性隔离后进行a d 转换、 滤波，处理为相应的数字量； ( 3 ) 接收控制中一i i , ( p l c ) 的开关控制命令：上行命令( u p s i g n ) 、下行命令 ( d o w s i g n ) 、减速上行命令( t o p s l o w ) 、减速下行命令( b o t t o m s l o w ) ，光电隔离后 存入单片机； ( 4 ) 根据控制命令、设定压力和实际压力判断系统状态，从而进行相应的开环流量 控制或闭环压力控制： 9 李沐：密闭式炼胶机比例伺服阀控制器的开发 ( 5 ) 对系统工作故障进行报警，并及时处理故障； ( 6 ) 通过r s 2 3 2 串口直接同p c 机通讯，设定控制参数和现场数据采集。方便直观 的进行参数调节，省却调节旋钮和示波器。 比例伺服阀智能控制器总体设计方案框图如图2 4 所示。 f竺竺皇!l 二二= ，- 、 【兰堕墨垄j = = 控制参数整定 i = 二二： ，。1 1 。一 、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 键盘 。 微处 理器 。臣亚习 ，1 _ 、 = f 比例伺服阀1 b 臣匦 图2 4 智能控制器设计方案框图 f i g 2 4b l o c kd i a g r a mo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rd e s i g nb l u ep r i n t 2 4 上位机系统方案 在以往的现场调试中，控制参数的修改是通过旋转电位器来实现的，而且要观察实 际压力与设定压力控制效果需增加一台示波器和万能表，使得调试笨重、不方便。作为 智能化的另一个手段，本系统采用r s 2 3 2 与p c 机通讯，所有的工作都可通过上位机轻 松完成。调试时只需一台笔记本电脑就可以了，简化了调试。 根据这样的需求，系统开发了功能丰富，操作简便的上位机软件，主要功能有如下： ( 1 ) 在线参数修改：开环流量控制和闭环压力控制的所有参数都可以通过上位机修 改。同时还可以修改系统运行周期，以适应不同的系统要求： ( 2 ) 在一定范围内对传感器进行标定：系统除可在硬件上进行标定外，还可阻通过 上位机来进行软件标定； ( 3 ) 实时波形绘制：上位机实时采集数据量，并在上位机及时显示控制曲线，便于 系统调试： ( 4 ) 提供了良好的人机界面。 1 0 d 固 大连理工大学硕士研究生学位论文 上位机程序在w i n d o w s 操作环境中采用v i s u a lb a s i c 语言编制。 李淋：密闭式炼胶机比例伺服阀控制器的开发 3 控制器硬件电路研制 3 1 系统硬件总体结构设计 3 1 1 系统硬件设计原则 作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，首先要考虑的就是 系统的硬件电路设计。 个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单 片机的功能单元，如r o m 、r a m 、i 0 口、定时计数器、中断系统等容量不能满足应用 系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配 置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、a d 、d a 转换器等， 要设计合适的接口电路【l u j 。 本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则： ( 1 ) 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块 化打下良好的基础； ( 2 ) 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适 当的余地，以便进行二次开发； ( 3 ) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影 响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须 注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用c p u 的时间( 比如延时程序) ； ( 4 ) 整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存 取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片：选择c m o s 芯片单片机构成低功耗系 统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品； ( 5 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选 择、去稻滤波、印刷电路板布线、通道隔离等； ( 6 ) 单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系统工作 不可靠。 3 1 2 系统硬件总体结构设计 比例伺服阀智能控制器的总体设计思想是：以单片机m s p 4 3 0 f 1 6 8 为中央处理器，辅 以功能强大的外围模拟、数字电路功能模块实现智能控制器的从接收控制命令、数据 1 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 采集、驱动比例伺服阀，到故障的报警、处理等全方位闭环控制，真正做到控制器的数 字化、智能化。 从控制系统的信号通道类型来分，智能控制器主要由以下几个部分组成( 如图3 1 所示) ： 第一部分：前向通道 ( 1 ) 实际上下腔压力信号a o 、a l 与设定压力信号a 2 的输入与处理：这三个信号都 是4 - 2 0 m a 的电流信号或o - l o v 的电压信号( a 2 信号需线性隔离) ，经过a d 转换，转换 为单片机可以处理的数字信号，等待下一步运算； ( 2 ) 系统开关控制信号的输入与处理：控制中心( p l c ) 的开关控制命令：上行命 令( u p s i g l l ) 、下行命令( d o w n s i g n ) 、减速上行命令( t o p s l o w ) 、减速下行命令 ( b o t t o m s l o w ) ，经过光电隔离后进入单片机，为系统进一步控制提供依据。 圉d 圉d 回回 图3 1 智能控制器硬件系统框图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a mo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rh a r d w a r es y s t e m 第二部分：中央处理器运算与监控 ( 1 ) 结合命令信号，比较设定压力与实际压力，决定执行开环流量控制或者闭环压 力控制； ( 2 ) 随时扫描键盘等外围部件并及时接收上位机发送来的命令，执行一些紧急处理 1 3 李沐：密闭式炼胶机比例伺服闯控制器的开发 指令。 第三部分：后向通道 通过d a 转换和线性隔离，控制比例伺服阀达到相应的开度，达到控制液压缸压力 的目的。 第四部分：人机通道 ( 1 ) 将经过运算处理的液压缸实际压力值送l c d 显示： ( 2 ) 对系统故障进行判断，通过发光二极管指示故障情况； ( 3 ) 通过开关键盘，可以预先设定阀门的一些工作状态或者在出现紧急状况时，通 过键盘处理事故。 第五部分：相互通道 单片机应用系统与微机之间传送控制指令或数据，信号传送要遵循定的通信规则 和编码要求。 3 2 单片机的选择及电源设计 3 2 1 单片机m s p 4 3 0 f 1 6 7 的选择及英特性 在当今的单片机市场，种类繁多，功能齐备的单片机层出不穷。各种单片机都有其 独有特点，至于具体选择哪种单片机型号，则完全遵循工程应用的实际需要和经济性 n - 1 2 。 本系统采用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 6 7 作为系统的c p u 。 虽然m s p 4 3 0 系列单片机推出时间不长，但由于其卓越的性能，在短短几年时间里 发展迅速，应用日益广泛。针对m s p 4 3 0 f 1 6 7 有如下特点：【1 3 】 ( 1 ) 强大的处理能力：m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位单片机，采用了目前颇受好评的 r i s c 结构。同时m s p 4 3 0 f 1 6 7 内部有硬件乘法器，大大增强了它的数据处理、运算能力。 这是采用该芯片的一个重要原因； ( 2 ) 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块：m s p 4 3 0 f 1 6 7 含有1 2 h i t 的a d 和d a ， d m a 控制器等大量的片内外设； ( 3 ) 系统工作稳定：如果晶体振荡器在用作c p u 时钟时发生故障，d c o ( 数控振荡器) 会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝 无仅有的。另外，m s p 4 3 0 为工业级器件，运行环境温度4 0 + 8 5 。c ： ( 4 ) 超低功耗； ( 5 ) 方便高效的开发环境：f l a s h 型m s p 4 3 0 系列单片机片内有j t a g 调试接口。 这种单片机的调试只需一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要专用的仿真器和编程 奎垄里三奎堂堡主竖窒生堂垡堡垄 器。这种调试方式方便、廉价。 除此之外，m s p 4 3 0 f 1 6 7 单片机还有如下些功能，了解这些功能有助于系统的配置 和优化：3 2 k 的f l a s h ：1 k 的r a m ；两个硬件u s a r t ；1 6 位定时器t i m e ra 、t i m e rb ： 片内比较器a ；可编程电压管理器；欠压检测器；串行在线编程。 芯片的引脚结构如图3 2 所示。 3 2 2 系统电源设计 图3 2m s p 4 3 0 f 1 6 7 引脚图 f 培3 2m s p 4 3 0 f 1 6 7p i n s 3 2 2 1 系统电源的设计要求 系统电源设计是单片机应用系统设计中的一项极其重要的工作，它对整个单片机系 统能否正常运行起着至关重要的作用。电源设计应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问 题。电源功率必须能满足整个系统的需要。单片机系统的绝大部分器件以脉冲方式工作， 对较小的系统功率消耗的脉冲特性更为突出，而较大的系统由于器件功耗的分散性，使 得系统整体的功率消耗比较平稳。因此，单片机系统的电源必须有足够的耐冲击性，这 就要求电源设计时留有充分的余量，一般大系统按实际功率消耗的1 5 倍2 倍设计， 小系统按实际功率消耗的2 倍- - 3 倍设计。 电平设计指的时直流电压幅度和电源在满载情况下的纹波电压峰峰值设计。这两项 指标都关系到单片机系统能否工f 常运行。因此，必须按系统中对电平要求最高的器件条 件进行设计。各种形式的干扰一般都是以脉冲的形式进入单片机的，干手尤窜入单片机系 李沐：密闭式炼胶机比例伺服阀控制器的开发 统的渠道主要有三条：空间干扰( 场干扰) ，通过电磁波辐射窜入系统；过程通道干扰， 通过与主机相连的前向通道、后向通道及其他与主机相互连接的通道进入；供电系统干 扰，通过供电线路窜入。对于上述3 种干扰必须采用行之有效的措施和具体电路加以消 除，确保单片机系统正常运行和工作 1 4 _ 1 5 1 。 比例伺服阀数字控制器电源电路主要作用是：从标准电源中获得和分离出比例阀控 制器正常工作所需的各种直流稳定电源，并且在电网电压，负载电流及环境温度于允许 范围内变化时，保证输出直流电压的稳定性。电源电路一般包括滤液、稳压和过载保护 等部分。输入电源可采用控制柜提供的标准2 4 v 直流电源。比例控制器将输入电压进行 滤波，稳压，并通过选择新的参考点，得到以新参考点为基准零点，能满足比例控制器 中各种器件工作需求的不同电压等级。 3 2 2 2 系统电源规划及设计 根据系统要求，规划系统电源如表3 1 所示： 表3 1 系统电源规划 t a b l e3 1t h el a y o u to fs y s t e mp o w e r 电源电压 电源用途 耄薹 模拟1 5 v 系统模拟电源，主要为信号处理过程中的运放提供电源 模拟+ 2 4 v 为上下腔传感器提供电源 模拟+ 3 3 v为单片机提供模拟电源 模拟5 v模拟信号处理使用 数字+ 3 3 v为单片机提供数字电源 数字5 v为数字系统供电 篡 + 2 4 v输入信号电源 1 5 v输出信号隔离电源 在本系统中，需要的电源种类和等级比较多，其原因是采用了输入、输出两级隔离 设计，以提高系统的抗干扰能力。因此，电源的种类也就可以分为三种：系统电源和隔 离电源系统。 ( 1 ) 隔离电源系统 隔离电源包括用于隔离输入开关信号的+ 2 4 v 和隔离输出信号的1 5 v 。+ 2 4 v 由外 部p l c 提供，1 5 v 由如下电路产生( 如图3 3 所示) 。 1 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 图3 ，3 + 1 5 v 电源系统 f i g 3 3 - + 1 5 vp o w e rs y s t e m 图3 3 中i c 7 为d c d c 模块电源，它的输入电压范围是2 2 8 2 5 2 v ，标称输出电 压为1 5 v ，标称输出电流为1 0 0 m a ，纹波噪声为5 0 m v p _ p ，典型效率为5 2 。c 7 、c 8 为 负载去耦电容，c 6 为输入端的滤波电容。瞬变电压抑制器( t v s ) p 3 起过压保护的作用。 二极管d l 可防止输入电源反接烧坏电源模块。 f 2 ) 系统电源 整个控制电源系统又可分为两个部分：模拟电源和数字电源。模拟电源用于系统控 制电路中模拟信号调理部分电路的供电。数字电源用于系统控制电路中数字信号处理部 分电路的供电。系统采用如下方案解决系统电源问题： 模拟+ 2 4 v 和数字5 v 这组电源直接由外部开关电源经滤波直接获得，接口电路如图3 4 所示。 l c 9 矛2 迎 钉。4 7 u p 1 5 v 2 4 v j 1 0 d g n d ， 一d 5 v ： a g n d： 2 曼 i ： c o n 图3 4 模拟2 4 v 数字5 v 电源接口电路图 f i g 34a n a l o g2 4 va n dd i g i t a l5 vi n t e r f a c ec i r c u i t 图中p 1 、p 2 为瞬变电压抑制器，j 1 0 为接线端子。 模拟1 5 v 这组电源用来在输入模拟信号处理电路中使用，为运算放大器o p 0 7 提供电源。获 取原理与图3 3 所示一样。 模拟5 v 1 7 壁曼j 堡塑苎! i i ! 塑! ! 型塑里塑整型量鲍墅叁 模拟5 v 可由模拟4 1 5 v 经稳压模块转换而来。大多数传统的稳压模块( 例如常见的 l m 7 8 0 5 ) 的电压降较大。当上游电压变得过低时，所提供的电压不能满足要求。例如， l m 7 8 0 5 的输入电压必须大于8 v ，模块才能输出稳定的5 v 电压。本系统所采用的稳压模 块是插脚与l m 7 8 0 5 相同而电压降却小得多的l m 2 9 4 0 c 8 集成电路。可在输入的电压降至 5 5 v 的情况下提供所需电压 1 6 1 。模拟5 v 电压转换电路如图3 5 。 图3 5 模拟5 v 电压转换电路 f i g 3 5a n a l o g5 vv o l t a g es w i t c h i n gc i r c u i t 模拟3 3 v 和数字3 3 v m s p 4 3 0 单片机的工作电压为3 3 v 。这部分电源由稳压模块a s l l l 7 产生。模拟3 3 v 产生电路如图3 6 所示，数字3 3 v 同理。 蚓3 6 模j j ； 33 v 电源电路 f i g 3 6 a n a l o g3 , 3 vp o w e rc i r c u i t 3 2 2 3 3 v 与5 v 混合系统中逻辑器接口问题 近年来，随着便携式数字电子产品秦笔记本计算机、数字式移动电话、寻呼机、手 持式测试仪表等的迅速发展，要求使用体积小、功耗低、电池耗电小的器件，数字系统 的工作电压已经从5 v 降至3 v 甚至更低( 例如2 5 v 和1 8 v 标准的引进) 。但是目前仍 有许多5 v 电源的逻辑器件和数字器件可用，因此在许多设计中3 v ( 含3 3 v ) 逻辑系 统和5 v 逻辑系统共存，而且不周的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准 的引进，不同电源电压逻辑器件间的接口问题会在很长一段时间内存在。【1 7 】本系统中就 大连理工大学硕士研究生学位论文 存在m s p 4 3 0 的3 3 v 电压与液晶显示模块( l c m ) 、发光二极管的接口问题。 在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在三个主要问题： ( 1 ) 加到输入和输出引脚上的最大允许电压的限制问题； ( 2 ) 两个电源间电流的互串问题； ( 3 ) 必须满足的输入转换门限电平问题。 器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或分离元件 接到v c c 。如果按入的电压过高，电流将会通过二极管或分离元件流向电源。例如3 v 器件的输入端接上5 v 信号，则5 v 电源将会向3 v 电源充电，持续的电流将会损坏二极 管和电路元件。在等待或掉电方式时，3 v 电源降落到0 v ，大电流将流到地，这使总线 上的高电平电压被下拉到地。这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的：不管 是在3 v 的工作状态或是0 v 的等状态都不允许电流直接流向v c c 。另外用5 v 的器件来 驱动3 v 的器件有很多不同情况，各种电路间的转换电平也存在不同情况。驱动器必须 满足接收器的输入转换电平，并要有足够的容限保证不损坏电路元件。 较为简单的一种电平移位器件是7 4 l v