（机械电子工程专业论文）基于dsp的注塑机新型注射与预塑组合回路控制系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文所研究的新型的注塑机注射与预塑组合回路，是利用交流伺服电机驱动 双向变量液压泵，通过改变伺服电机的转速与转向来改变液压油的压力，流量及 流向，同时针对注塑机注射与预塑过程是相继进行的特点，辅以精心设计的液压 回路，实现两个动作的组合控制回路。在此基础上，采用高速高性能的微处理器 d s p 为核心构成控制器，实现其高速，高精度的运动。 全文共分六章： 第一章：介绍注塑机当前发展概况，比较了注塑机当前主要的几种驱动方式 及各自优缺点和发展前景，讨论了d s p 概况及其在课题中的意义，最后提出本 课题的设计任务和意义。 第二章：简单介绍注射与预塑组合回路的液压系统及各组成部分，分析其各 种工作状态下的工作原理，并对该液压系统特点进行了总结。 第三章：提出d s p 控制器硬件的各项技术指标，介绍控制器总体框架，并 讨论控制器硬件各子模块的工作原理及各项技术指标的具体实现。 第四章：简单介绍t m s 3 2 0 c 3 2 的编程特点，d s p 控制器软件概述及各子程 序流程图，p c 端上位机程序功能概述及子程序流程图，最后讨论了上下位机通 讯协议及具体通讯工作方式。 第五章：分析本组合回路控制特性，简述d s p 控制器在各个不同的工作状 态下的控制策略，分析比较各种工况下的实验数据曲线，讨论了注射保压控制过 程中的几个关键技术问题，并提出解决方案。 第六章：对论文及课程设计所完成任务进行了总结，并对进一步的1 ：作提出 了自己的想法。 本课题为浙江大学一宁波市专项基金项目，研究成果可以为高速、高精度注 塑机提供节能的注射与预塑组合回路，并易于实现模块化，为电动液压复合注 塑成型机提供配套，且能方便的移植到丌合模回路中，提高国内注塑机的技术含 量，缩短与国际先进水平的差距。 关键词：注塑机，d s p ，p i d ，控制，注射，保压 浙江大学硕士学位论文 t h et a s ko ft h i st h e s i si st od i s c u s st h en e wi n j e c t i o na n dp r e m o u l d i n g c o m b i n e dl o o po fi n j e c t i o nm a c h i n e b yc h a n g i n gt h ev e l o c i t ya n dd i r e c t i o no ft h e m o t o rw h i c hm o t i v a t e db yt h ei n v e r t e r , w ec o u l dc o n t r o lt h ev e l o c i t ya n dt h ep r e s s u r e o ft h i s h y d r a u l i cs y s t e m b a s eo nt h i s ，w ed e s i g n e d ah i g h - p e r f o r m a n c ed s p c o n t r o l l o rt or e a l i z et h eh y d r a u l i cs y s t e m sh i g hs p e e da n dp r e c i s i o no p e r a t i o n 皿i st h e s i sc o n s i s t so fs i xs e c t i o n s ： 1 、i n t r o d u c et h eh i s t o r yo ft h e 两e c t i o nm a c h i n e c o m p a r i n gs e v e r a ld i f f e r e n t d r i v i n gs y s t e m so fi n j e c t i o nm a c h i n ea n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c i n t r o d u c et i s h i 庐p e r f o r m a n c ef l o a t i n g - p o i n td s p1 m s 3 2 0 c 3 2 a n dt h eu s eo fi to nt h i s s y s t e m 2 、i n t r o d u c et h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h en e wi n e c t i n ga n dp r e m o u l d i n g c o m b i n e dl o o po fl n j e c t i o nm a c h i n ea n di t sc o m p o n e n t s a n a l y s ei t sw o r k t h e o r ya td i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n i n t r o d u c e t h eh y d r a u l i cs y s t e m s c h a r a c t e f i s t i c 3 、i n t r o d u c et h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ed s pc o n t r o l l o ra n dt h ef u n c t i o n t h e o r yo fi t sm o d u l e s i n t r o d u c et h ew a yt h i sc o n t r o l l e r a c h i e v eh i g h p r e c i s i o np e r f o r m a n c e 4 、i n t r o d u c et m $ 3 2 0 c 3 2 sp r o g l a mc i r c u m s t a n c e d i s c u s st h es o f t w a r e s t r u c t u r ei n c l u d i n gp r o g r a mo ft h es e r v e rp a r t ( p oa n ds l a v ep a r tp s p c o n t r o l l e r ) p r e s e n t t h e s u b p r o g r a m f l o w c h a r t i n t r o d u c et h e c o m m u n i c a t i o nt h e o r ya n dt h ep r o t o c 0 1 5 、i n t r o d u c et h ec o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o m b i n e dl o o po fh j e c t i o n m a c h i n ea n de x p l a i nt h ed i f f r e n tc o n t r o l l i n gs t r a t e g ya td i f f r e n tw o r k c o n d i t i o n a n a l y s et h ee x p e r i m e n t a t i o nd a t aa n dm a k ec o n c l u s i o n d i s c u s s s o m ec r i t i c a lp r o b l e ma tt h ei n j e c t i o na n dk e 印p r e s s u r ep r o c e s s 6 、s u m m a r i z et h ew h o l er e s e a r c hw o r k a l s o ，t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i s t h e s i sa r em e n t i o n e da n dt h ec o n c e i to ft h ef u r t h e rd e v e l o p i n gw o r ki s p o i n t c d o u t n i s p f o j e c ti sc o o p e r a t e db yz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n dn i n g b oh a i t i a nc o ”皿e r e s u l to ft h er e s e a r c hw o r kc a np r o v i d ean e wi n j e c t i n ga n dp r e m o u l d i n gc o m b i n e d l o o po fi n j e c t i o nm a c h i n e a n da l s o ，t h ed s p c o n t r o l l e ri sm o d u l a r i z e da n de a s yt ob e t r a n s p l a n t e dt oo t h e rp a r to fi n j e c t i o nm a c h i n e i tw i l li m p r o v et h en a t i o n st e c h n i co f i n j e c t i o nm a c h i n ea n ds h o r t e nt h ed i s t a n c et oi n t e m a t i o n a la d v a n c e dt e c h n i c k e yw o r d ：i n j e c t i o nm a c h i n e , d s p , p i d ，c o n t r o l ，i n j e c t i o n , k e e pp r e s s u r e 2 浙江大学硕士学位论文 第一章课题的技术背景及研究意义 1 1 注塑机发展状况概述 1 1 1 注塑机概述“町嘲 注塑机是现代产品制造业中主要加工设备之一，是成型塑料制品的专用设 备。近年来注塑机控制技术的飞跃发展为实现塑料制品的先进生产奠定了重要基 础。 注射成型是加工热塑性高分子材料的主要方法之一。这种方法能制得外形复 杂、尺寸精确和带有金属嵌件得制品，对各种聚合物加工得适应性强，易于实现 全自动化生产。目前世界上8 0 的工程塑料制品采用注射成型加工。 注射成型加工的主要设备是注塑机。注塑机是一个集机、电、液于一体的典 型系统。由于注塑加工能够一次成型形状复杂的塑料制品，如照相机镜头、塑料 齿轮和激光光碟等精密塑料制品，同时，可供注塑加工的塑料种类非常多，具有 适应性强、效率高和后加工量少等特点，因此，这种加工方法在近几年得到了迅 猛发展，注塑机的产量在塑料机械中所占比例达到4 0 左右 注塑成型利用柱塞式螺杆或螺旋式螺杆，将加热料筒中预先已均匀塑化的热 塑性塑料或热固性塑料，高速推挤到闭合的模具型腔中，经过保压和冷却等程序 后成型注塑制品。除了一些连续的塑料型材外，注塑成型加工方法几乎可以生产 各种复杂形状和尺寸，并满足各种实际要求的塑料制品。因此，广泛用于机械配 件、国防工业、电讯工程、交通运输、仪表工业、电子电气、航空、建筑、农业、 文教、医疗卫生及日常生活等各个领域。 微计算机技术的发展和普及应用，以及与电液比例伺服技术有机结合，实 现注塑机程序控制、过程控制和生产控制与质量管理等。各行业对塑料制品的需 求量在不断增长，对塑料制品的质量要求也越来越高，包括塑料制品的尺寸精度 和重量精度。这就要求研制与开发相适应的注塑机，同时，必须满足成型效率、 节能、低噪声和环境污染、操作简便和机器经济性能指标高等要求。普通开环控 制的注塑机显然不能够满足全部要求，必须采用闭环控制的方法，并基于微机和 电液比例伺服系统，对注射成型加工过程实施可编程序控制和闭环控制。 影响注塑制品质量的因素是多方面的，包括注塑原料性能、模具、成型设备 及其成型过程控制方法，而后者往往更为重要并急待解决。注塑制品加工厂家选 6 浙江大学硕士学位论文 择注塑机的标准除了可靠性、精密度和成本等因素外，还注重注塑机所占的面积 大小因此，优良的性能，合理的机器设计及整机外观质量等，必然成为决定注 塑机市场竞争力的重要因素。 1 1 2 注塑机发展概述 ( 1 ) 五代注塑机发展概述 4 1 n ： 2 0 世纪5 0 年代以前，第一代注塑机采用柱塞式注射机构，动力传动方式由 机械发展到液压。 2 0 世纪5 0 年代中期，第二代注塑机采用往复螺杆式注射机构及液压驱动方 式，其基本结构和液压工作原理一直沿用至今，主要特征是采用开关式电气元件 和继电器及开关式液压控制阀。 2 0 世纪6 0 年代中期后，由于对塑料加工工艺、制品质量、生产效率提出了 更高的要求，电液伺服阀和电液比例阀( 2 0 世纪7 0 年代初出现) 逐渐为注塑机采 用。同时，随着大规模集成电路的发展，集成电子技术和微处理机系统也逐渐用 于注塑机。采用微机及电液比例伺服开环控制技术，成为第三代注塑机的主要 特征。目j ；茸，这类注塑机的产量在世界上占有很大的比例。 1 9 7 3 年，世界上出现了第一台采用闭环控制的注塑机，可以分别对温度、 注射速度，注射压力、保压压力、塑化背压、塑化转速等重要工艺参数及过程参 数实施闭环控制，并大幅度提高控制精度，确保产品质量更加稳定。微计算机技 术、电液控制技术和现代控制理论的综合应用，进一步发展了自适应控制的注塑 机。微机闭环控制成为第四代注塑机的主要特征，具有极高的技术附加值，代表 着注塑机的发展方向。 第五代注塑机的控制系统具有通讯及网络功能，采用多级控制结构及总线技 术，能够实施统计过程控制( s p c ) 、优化工艺参数和生产监控。 ( 2 ) 国内注塑机发展现状 6 1 1 9 1 1 2 6 1 ： 我国近些年注塑机企业发展较快，特别是中小型通用注塑机在数量上大步增 加，制造技术明显提高，产品规格有所扩大，基本上满足了国内市场的需求，值 得提及的是部分合资、骨干企业普遍采用进口电器液压件，实现了从传统液压系 统和继电器控制向比例和伺服系统及程序电脑控制系统的飞跃，扭转了以往国产 注塑机控制水平落后状态，部分产品达到港台同类产品档次，并开始出口。 海天机械有限公司创始至今已有三十多年，目前已成为中国最大的塑料机械 生产基地。主要产品是锁模力5 8 吨到3 5 0 0 吨( 注射量从5 0 克到4 0 0 0 0 克) 百 7 浙江大学硕士学位论文 余种规格的塑料注射成型机，年产量可达万余吨。 东华机械有限公司引进香港华大机械设备有限公司专利技术采用电脑辅助 设计、制造技术。生产的i t l 系列全自动螺杆直射注塑机注射量从4 3 克- - 3 0 0 0 0 克、锁模力从2 2 吨一1 6 0 0 吨共2 8 个品种近百种款式，全部采用先进的专用电 脑控制系统，荧光屏多幅面、多种文字显示，实现了广泛的人机对话。液压控制 系统采用比例控制技术，无级调节各种动作的压力、流量，采用负反馈控制技术 和差动外补偿原理。 浙江塑料机械总厂( 震达机械有限公司) 具有3 0 余年生产注塑机的经验，公 司拥有德国进口的全电脑辅助无人操作的柔性加工系统及高精度加工中心、数控 自动车床、钻床及大型数显落地镗床等硬件基础，生产的z t 系列注塑机注射量 自9 l 一1 2 9 6 2 克，锁模力4 0 0 - - 1 2 5 0 0 k n ，中小机型采用高质量继电器控制，大 机型采用日本电脑屏幕显示、设定参数。 山东震华塑料机械有限公司由香港震雄集团有限公司与山东塑料橡胶机械 总厂合资组建，该公司目前已具备年产3 j 系列符合国际标准的注射机1 0 0 0 台， 注射量6 0 - - 2 5 0 0 0 克，锁模力高至4 0 0 0 吨。s j 系列注射机具有速度快、循环时 间短，生产效率高等优点。另外，内置式电脑程序控制器，是震维集团及日本一 家著名电脑公司专为s j 系列机所独特设计能全面提高准确性、精度及重复性。 在意利源公司生产的1 7 系列全自动精密注射主要结构特点为：螺杆长径比大， 塑化性好；锁模系统采用五式内翻铰链机构，差动式高速锁模，节能高效；敏感 的低压锁模功能确保对模具有精确保护，使机器具有良好的通用性；低速大扭力 液压油马达直接驱动螺杆熔胶；双比例式压力、流量的调节可获得高精确度的压 力和速度；配有可调式背压及防流涎装置；温度控制系统采用高灵敏度的感温元 件，热电偶和控温仪构成的全自动控温系统，在专用电脑中采用比例、积分、微 分闭环温度控制系统；电气控制系统配备有继电器，可编程序控制器及液晶显示 专用电脑，具备手动、半自动、全自动三种操作方式；液压系统采用世界上最先 进的双比例控制技术。目前该公司可生产注射量6 5 一1 8 1 2 7 克、锁模力5 0 一2 5 0 0 吨的近5 0 个规格的大、中、小高精密度机型。 ( 3 ) 注塑机未来的发展趋势1 1 1 - 1 5 1 【2 7 l ： 现代注塑机的发展重点在于提高控制水平和整机自动化程度，以及整机优 化设计和加工工艺的改进等方面，满足对于注塑制品质量及节能的要求。通过不 断完善液压系统，采用先进的控制手段，性能优良的设备、质量可靠的电气系统 及液压系统，以确保注塑机动作灵敏、运行稳定和可靠，最终达到改善劳动条件、 减轻维修工作量、降低能耗、节省原料的目的，最终朝着高速、高效、高精度、 8 浙江大学硕十学位论文 高质量、低噪声、自动化、节能，以及降低生产成本的方向发展。例如，通过采 用比例阀、伺服阀、插装阀、变量泵与蓄能器等，实现多级注射和保压，节能效 果达到4 0 一7 0 ；采用新型液压系统，具有反应快、灵敏度高、泄漏小等优 点，大大提高了注塑机的可靠性和使用寿命，操作条件得以改善；采用微机或 p l c ，并结合位移传感器来代替传统的继电器、限位开关，根据系统压力、模腔 压力，对注塑成型过程实施闭环控制和动态监测；通过在大型、中型注塑机上安 置机械手、自动称量上料系统、模具快速交换系统( 甚至全自动快速交换系统) 、 模具自动调温系统等自动化手段，以及各种辅助设备，真正实现注塑机整机自动 化。 综合上述，注塑机的控制技术将朝着高速、高效、高精度、高质量、自动 化、节能以及低噪音的方向发展。主要从以下几个方面进行： l 、注塑机控制理论的研究与应用将继续深入，加之塑料注射成型过程仿真 系统的进一步开发和普及应用，使注塑机整机设计、成型工艺方法以及成型工艺 参数确定不断优化； 2 、越来越多的注塑机将采用计算机数字化控制和程序化控制，闭环控制技 术日趋完善，监测元件和监测技术不断发展，进一步提高注射成型工艺的稳定性 以及塑件的精度。 3 、实现注塑机的智能化控制，强化人机界面和人机对话，实现人机互动， 同时以监测、调节、控制一体化并用机械手、机器人辅助，达到智能化自动控制。 4 、实现注塑机的网络化控制，采用有线或无线信息传递控制技术，采用局 域或远程进行数据、指令、信息通讯，以控制注塑机生产。 5 、更多的工厂采用联机群控的生产与管理模式，建立自动化的注塑车间。 采用成组技术，使注塑机和辅机按成组单元排列，实施注塑成型过程群控，确保 对生产组织、成型加工、检验和运输等进行统一管理和控制。 6 、加强对全液压式注塑机、机械液压式注塑机、电动液压式注塑机的节能 控制系统研究，如变频控制系统等，开发新型节能注塑机。 7 、对注塑机的操作控制与维修更加容易、方便，劳动条件改善。 8 、研究开发新型注塑机如全电动注塑机、快捷式注塑机、高精密注塑机等 控制系统。 9 、加强对控制线路、控制元件的新技术开发与应用，使控制系统模块化、 集成化，不断增加控制精度和可靠性。 l o 、进一步提高注塑机光、机、电一体化控制水平，通过计算机直接数字 控制系统、光电磁动态检测系统、计算机集成制造系统、机器人辅助操作系统， 实现操作无人化、自动化生产。 9 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 注塑机驱动系统现状 相关的国内外注塑机控制系统主要有以下几类： 1 、液压的注塑机1 1 0 i 1 1 6 j ： 由于液压系统有着功率大、响应快的特点，在注塑机上得到了广泛的应用。 近年来随着注塑机不断向高速化、高精度化、节能化的方向发展，主要改进体现 在以下几个方面，即第一方面，采用高速伺服阀来实现注塑机的高速运动及高精 度的位置控制。针对需要高速运动的开合模、注射回路，采用高速伺服阀取代原 来的方向阀，实现对注塑机的高速、高精度运动的控制，但是其价格昂贵，抗油 液污染能力弱；第二方面，采用伺服变量泵来节能。利用伺服变量泵实现泵的流 量、压力与注塑机系统所要求的流量与压力相适应，从而实现能量的节省。虽然 节能效果显著，但是变量泵系统结构复杂，价格昂贵，维护不易，特别是其抗油 污能力弱，不适应注塑机恶劣的生产环境，故障率高。第三方面，采用变频器驱 动定量液压泵，通过改变泵的转速而达到对液压系统流量、压力的调节，同时在 冷却时可以完全将泵停掉，大大降低了电机与泵的空载损耗，节能效果要优于变 量泵系统。但是它受到液压泵最低转速的限制，同时因为电机与泵的惯量较大且 变频器的电力电子元件过载能力弱，其响应速度较慢，将引起生产效率的降低， 不适用于高速、高精度系统，还需要进一步的研究。 2 、全电动注塑机1 2 4 1 ： 将注塑机的所有动作都采用伺服电动机控制，其特点是维护方便，结构简单。 由于不同的动作均由不同的电动机完成，有利于实现动作的复合，提高生产效率。 同时由于电气控制系统的特点，有利于实现高速、高精度的控制。与液压控制系 统相比，省去了从机械到液压、再从液压到机械的能量转换环节，直接由电机通 过滚珠丝杆驱动工作部件，没有液压的溢流损失及节流损失，节能效果最好。但 是由于伺服电动机的功率问题，不适合于大型机采用，而且滚珠丝杆的磨损与传 动间隙也影响系统的控制精度。特别是由于注塑机运动部件多，需要采用多个伺 服电动机与驱动器组合，整机价格高。 3 、电动液压注射成型机1 2 2 1 1 矧： 集液压与电驱动于一身。如h u s k y 的h y l e c t r i c 注塑机采用液压机械锁模、 螺杆电机驱动液压注射成型。而d e m a ge r g o t e c h 公司则采用了电一液压驱动的 开模、电动螺杆驱动的预塑、液压驱动的注射。它体现了液压与伺服电动机驱动 的融合，利用了电驱动的精度高、快速的特点，而又利用了液压驱动的快响应、 浙江大学硕士学位论文 大功率的特点。注塑机的机电一体化组合，使注塑机具有自动控制、自动诊断、 自动调节，自动补偿功能，先进的专家系统使注塑机向无人化、智能化的方向发 展，信息网络系统使设备与管理部门、数据库等外界联系起来。 1 2d s p 概述及课题中的意义 1 2 1d s p 技术应用简介 ( 1 ) d s p 发展简史【7 1 1 8 1 1 9 1 ： 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。 这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本 n e c 公司推出的| lp d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ， 简称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片 t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 c i ( 1 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继 推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一 体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片 t m 8 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 ) 【) 【) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今，t i 公司的一系列d s p 产品已经成 为当今世界上最有影响的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最大的d s p 芯片供应 商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是日本的h i t a c h i 公司，它于 1 9 8 2 年推出了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指 令周期为1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。 而第一个高性能浮点d s p 芯片应是a t t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 与其他公司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年， 该公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮 点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简称a n ) 在d s p 芯片市场上也占有 一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、 a s d p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4以及 1 1 浙江大学硕十学位论文 a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮点d s p 芯片有a d s p 2 l o o o 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广 泛。从t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到i o n s 以下( 如t i d s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处 理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模片区( d i e a r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。从制造工 艺来看，1 9 8 0 年采用4i lm 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而现在则普遍采用亚微 米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在 的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩 展和处理器间的通信等。此外，d s p 芯片的发展使d s p 系统的成本、体积、重量 和功耗都有很大程度的下降。 ( 2 ) d s p 适合于实时控制的特点1 1 9 j ： 改进的哈佛结构：计算机的总线结构可分为两种。种是冯诺伊曼结构。 其特点是程序和数据共用一个存储空问，统一编制依靠指令计数器提供的地址来 区分是指令数据还是地址。由于对于数据和程序进行分时读写，执行速度慢，数 据吞吐量低。但是，半导体工艺的飞速发展克服了这一缺陷。同时，由于这一结 构使计算机的结构得到简化，它成了计算机发展的一个标准。但由于它原理上的 缺陷，这一结构不适合于进行具有高度实时要求的数字信号处理。而哈佛结构与 冯诺伊曼结构相比，其主要特点是程序和数据具有独立的存储空闻，有着各自 独立的程序总线和数据总线。显然这使计算机的结构变得复杂。但是由于可以同 时对数据和程序进行寻址，它大大提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字 信号处理。t i 公司的d s p 芯片的结构是基本哈佛结构的改进类型。改进之处是 在数据总线和程序总线之间的局部交叉连接。这一改进使得：允许数据存放在程 序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两 个独立的总线就可以使处理能力达到高峰，以实现全速运行。另一特点是，指令 可以存储在高速缓存器中，省去了从存储器中读取指令的时问，大大提高了运行 速度。 流水线操作：在改进的哈佛结构的基础上，d s p 芯片广泛地采用了流水线操 作以减少指令执行的时间，从而进一步增强处理器的数据处理能力。流水线的深 度为二级以上，不同的产品深度也各不相同，有几条流水线就意味着可以同时执 行几条指令，这大大缩短了程序的运行时间。 采用硬件乘法器：在一般的计算机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个 操作数的加、减以及逻辑运算，而乘法则由加法和移位来实现。因此它们实现乘 法的速度较慢，但在d s p 中，有一个专门的硬件乘法器，使得乘法运算可以在一 浙江大学硕上学位论文 个指令周期内完成。 快速的指令周期：c m o s 技术、先进的工艺以及集成电路的优化设计、工作 电压的下降，使得d s p 芯片的主频不断提高。目前c 6 0 0 0 系列的最高工作主频已 经到达了2 0 0 m h z ，可以预见，随着微电子技术的发展，工作频率还将继续提高， 指令周期还将近一部缩短。 1 2 2d s p 在本课题中运用的意义 本课题所研究的组合回路控制器实际上包括了一个高速高精度的数据采集 系统，系统要正常运行，需要完成以下工作：a d 采样精度为1 6 位，且需要l m s 内完成所有闭环输出运算( 运算方式为浮点) 。这对系统的主控c p u 提出了很高 的要求：需要有硬件加法器，逻辑运算器，乘法器( 定点，浮点) ；快速的指令 周期；海量的寻址空间以及灵活的输入输出扩展方式。 本课题采用的t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 2 浮点i ) s p ，t m s 3 2 0 c 3 2 是浮点d s p t m s 3 2 0 c 3 x 的系列产品，工作频率为4 0 m h z ；哈佛总线，并且拥有独特的指令结 构、硬件乘加运算。 选用t i d s 3 2 0 c 3 2 的原因主要是定点d s p 小数点定标变化困难，数据容易溢出， 需要做繁琐的前期数值仿真来估计数据溢出的范围，这样增大了软件开销，加重 了芯片的负担，同时也降低了系统的实时性，而t m s 3 2 0 c 3 2 是浮点d s p ，有效数 据空间大，数值算法实现就简单多了，同时4 0 m h z 的外频，通过内部处理后能得 到5 0 n s ( 2 0 删z ) 的指令周期，l m s 内能完成2 0 0 0 0 条运算及读取写入指令，足 够完成周期内的数据输入处理，闭环运算，及输出控制，并能够跟上系统的快速 响应，再又因为其灵活的总线接口模式，可以方便的外接各种类型存储器，且可 以通过配以简单的电路，大量外扩数字量输入输出点。 t m s 3 2 0 c 3 2 的特点1 2 0 ： kc p u t m s 3 2 0 c 3 2 的c p u 是以寄存器为基础的，包括乘法器、a l u 、3 2 位桶式 移位器、辅助寄存器运算单元( a r a u s ) 、寄存器组。它们之间通过内部总线 连在一起； 2 、存储器组织 浙江大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 c 3 2 的片内r a m o 和r a m l 的大小为2 5 6 3 2 位，每个r a m 块在单周期 内支持两次存取。一个6 4 x 3 2 位的指令高速缓存用来存储经常重复的代码段， 从而大大地减少了指令中不必要地片外存取地次数。 3 、总线操作 t m s 3 2 0 c 3 2 的高性能在很大程度上归功于内部总线结构及由之带来的并行 性；t m s 3 2 0 c 3 2 的灵活性，则在很大程度上归功于外部总线的控制及由之带来的 允许外设程度的多样性。 a 内部总线： 独立的程序总线( p - a d d r 和pd a t a ) 、数据总线( d - a d d r i ，i ) _ a d d r 2 ， o _ d a t a ) 和i ) m a 总线( d m a _ s o d r 和d m a _ d a t a ) ，使程序的提取、数据读写、 和d m a 存取可以并行地进行。这些总线连接所有的m s 3 2 0 c 3 2 的物理空间( 包 括片内存储器、片外存储器、片内外围等) 。 程序计数器p c 与2 4 位程序地址总线( p _ a d d r ) 相连。指令寄存器( i r ) 与3 2 位的程序数据总线( p _ d a t a ) 相连，也就是说程序总线在每一指令周 期内可提取一条指令。 数据总线在每一指令周期内支持两次数据存取器的存取。d d a t a 总线通 过c p u i ，c p u 2 总线运送两个数据存储器操作数到乘法器、a l u 、寄存器组。 d d a t a 总线通过r e g l ，r e g 2 运送两个数据到乘法器和a l u 。 d m a 控制器由2 4 位地址总线( d m a _ a d d r ) 和3 2 位数据总线( d m ad a t a ) 所支持。这些总线使d m a 能与数据总线和程序总线并行地执行存储器存取。 b 外部总线： t m s 3 2 0 c 3 2 有一个主总线接口。主总线接口包括3 2 位数据总线、2 4 位地址 总线及一组控制信号( r d y ，h o l d ，h o l d a ，s t r b ，r w ) 。 t m s 3 2 0 c 3 2 的程序总线为1 6 3 2 为可选，而数据线则改为了8 1 6 3 2 位可选。 虽然作为代价，如果选用小于3 2 位的总线，那么速度将有所下降。如在c 3 2 中 用3 2 位数据总线，那么需用一个指令周期；如果用1 6 位数据总线，则需用2 个指令周期；如果采用8 位数据总线，那么需用花费4 个指令周期。 4 、外围配置 c 3 2 的片内外围主要包括时钟和串行口在c 3 2 中，时钟有二个，串行口一 1 4 浙江大学硕士学位论文 个； a 定时器： c 3 2 有两个3 2 位定时器计数器。对定时器的控制通过映射到存储器的定时 器控制寄存器来实现。这些寄存器包括：定时器总体控制寄存器、周期寄存器、 计数寄存器。 b 串行口： 串行口的类型为通用异步接收发送串行口( u a r t ) ，通过控制映射到存储器 中的串口控制寄存器可以将串口配置为每次传送8 1 6 2 4 3 2 位数据，内部启动 定时器或外部启动定时器、传输频率，还可以将串行口引脚配置为i o 引脚。在 内部定时器资源不够时，还可以将串行口的r x 定时器配置为通用定时器来使 用。 c m n ： 在一般的计算机中，用直接存储器存取( d m a ) 方法时，c p u 往往要让出总 线。这时与d m a 其实存在冲突，降低了c p u 的处理能力。由于d s p 中d m a 有专用 的d m a 地址及数据总线，这使得c p u 与d m a 控制器之间的冲突降到最低程度。d s p 片内d m a 可以存取存储器空间中的任何单元，而不涉及任何c p u 操作。这为了 c 3 2 与较慢的外设之间进行大量数据的交换，而不降低c p u 的处理能力提供了可 能。 d 程序引导装载功能： 引导装载程序的执行过程是这样的，上电复位或手动复位之后，如果m c m p 引脚为高电平，而且系统没接在仿真器上，那么d s p 芯片自动运行固化在0 h 4 0 h 中的引导装载程序。 浙江大学硕七学位论文 1 3 课题研究意义和内容 1 3 1 课题研究意义 研究新型的注塑机注射与预塑组合回路，利用变频器带动三相交流异步电机 驱动双向变量液压泵，通过改变电机的转速与转向来改变液压油的压力，流量及 流向，同时针对注塑机注射与预塑过程是相继进行的特点，辅以精心设计的液压 回路，实现两个动作的组合控制回路。在此基础上，采用高速高性能的微处理器 d s p 为核心构成控制器，同时对液压及电气参数进行优化，采取合适的控制策略， 从而实现对注射与预塑过程的高速、高精度的控制。独有的保持压力方式使得该 组合回路兼具有环保节能特性。 该注射与预塑组合回路的研究具有以下几点重要意义： ( 1 ) 采用电动、液压复合方案，结合了电驱动的高精度、响应快，以及液 压驱动的高速、大功率的特点。 ( 2 ) 采用变频器带动三相交流异步电机驱动双向内啮合齿轮泵方案，通过 改变电机的转速与转向来实现对液压泵流量与压力以及流向的控制，从而实现由 同一个泵完成注塑机注射，保压，预塑，射退等工艺流程的动作与切换。 ( 3 ) 采用新型的压力控制技术方案，实现了高效高精度节能控制，控制过 程噪声小，响应快，取得较好的压力控制效果，且具有节能环保经济的效果。 ( 4 ) 注射与预塑动作能与注塑机的其他工艺流程实现复合动作。 ( 5 ) 采用高速具有强大的计算能力1 1 公司的浮点d s p t m s 3 2 0 c 3 2 为核心， 辅以高精度的d a ，a d 转换单元，构成高性能的控制器。该控制器运算能力强， 具有8 路高速高精度1 6 位a d 通道，4 路高速高精度1 6 位d a 通道，8 路数字 量输入及8 路数字量输出，其闭环控制时间周期可达l m s ，且具有较大f l a s h 存 储空间，可存储大量运行参数，兼具有r s 2 3 2 接口，可方便的与上位p c 机进行 通讯以进行数据采集，处理及参数调整的工作。该控制器适合高速高精度的速度 压力控制，且具有较大的扩展性，作少量的软件改动，即可广泛运用于橡塑机械 工业各领域的运动参数控制。 ( 6 ) 精心设计的控制器软件，实现以下5 个控制功能： 1 、具有压力上限控制的注射速度闭环控制，当注射压力超过设定值， 将会减小注射速度，从而调整注射压力，对注射过程中的非正常状态实 现了压力保护。此机制同时保证了注射状态到压力状态转换的平稳过 渡。 2 、自动快速的注射保压状态切换，根据状态切换单元的计算，控制器 1 6 浙江大学硕十学位论文 将在l m s 内判断出注射与保压的过渡状态，快速的由流量控制转化为压 力控制，避免了压力过冲现象。 3 、保压压力闭环控制，通过对流量增益的调节，实现了对压力的闭环 控制，取得良好的控制精度，并实现了注塑机的环保节能。 4 、塑背压压力闭环控制。 5 、注塑机运行状态自动转换逻辑控制，该逻辑控制单元可完成各种工 况要求，其保护机制可预防各种非正常运行状态发生。 ( 7 ) 具有r s 2 3 2 接口，通过网络传输协议，可方便的由p c 端上位机程序 进行控制参数的调整，存储，以及注塑机运行状态数据的检测，存储，包括 速度压力曲线的观测。 综上，该注射与预塑组合回路响应迅速，控制精度高，环保节能，能一定程 度上提高注塑机的整机性能及关键参数品质。 1 3 。2 课题所采用的技术路线 本课题涉及知识面较广，涵盖了机械，电子，液压，信号处理，软件设计及 嵌入式系统等多个学科，具有较强的综合性。以下为课题所采用的技术路线及研 发步骤： 1 、硬件系统方案确定，完成控制器总体电路构思，存储器、a d 、d a 等各 关键电子元器件选型，电路总体及局部规划，利用p r o t e l 软件设计电路原理 图。 2 、利用p r o t e l 软件进行p c b 制板设计，送交相关厂商制作完成多层电路板， 焊接各元器件，完成电路板实物制作。 3 、利用d s p 仿真器，高频示波器等各种电子测试设备，完成电路板基本功 能调试以及各项硬件性能指标测试。 4 、利用c c s 开发环境进行d s p 编程，完成软件整体架构的搭建，并完成 a d 采样，d a 输出，数字量输入输出，通讯等各子模块的设计。 5 、利用微软的v i s u a lc + + 设计平台进行p c 端上位机程序设计，并与d s p 控制器下位机完成通讯调试。 6 、注塑机整机实验平台的搭建与调试，整机控制，控制策略调整，p i d 参 数整定，运行数据分析 拟采用技术路线的具体流程图如下图1 1 所示。 1 7 浙江大学顾七学位论文 图1 1 技术路线的具体流程图 1 8 浙江大学硕士学位论文 第二章液压系统原理介绍 2 1 液压系统原理图 本课题所研究组合回路液压系统为三相交流异步电机驱动双向变量泵方案， 通过改装，运用在海天公司的h t f l 6 0 1 x 型号的注塑机上，图2 1 为本组合回路 液压系统原理图。 预塑马达 山 图2 1 组合回路液压系统原理图 该液压回路配备以下元件：m t r 为三相异步电机，额定功率为1 5 k w ：p 为 双向变量泵；v l 为电磁方向阀，d 1 ，d 3 分别为其左右位控制电磁铁；v 2 为比 例溢流阀，d 2 为控制器溢流量的比例电磁铁；v 3 为单向阀；v 4 ，v 5 为安全单 向阀。传感器主要有压力传感器和位置传感器。压力传感器量程为0 2 5 0 b a r ， 输出电压0 1 v 1 0 v ；位置传感器输出电压为0 1 0 v 变频器采用德国k e b 新 近推出的c o m b i v e