基于矢量控制的电动折弯机控制系统的研究

基于矢量控制的电动折弯机控制系统的研究

由于其良好的耐刚性、简单的工艺和多种技术，板料弯曲变形在板料加工中得到了广泛应用。以前的重型弯头液压缩换速器的液压槽响应缓慢，不利于调整，结构复杂，维护成本高。三角形异步电机的直接故障控制结构简单，成本低，控制质量好。因此，在这项工作中，我们研究了基于传统弯头运动控制系统的技术。1系统的硬件组成系统工作原理如图1所示,系统共有3个控制轴:步进电机控制的X轴(后挡料板定位轴)和异步电机驱动的Y1,Y2轴(滑块位移调整轴).折弯机通过调整X轴,Y1和Y2轴的位移,即可折成各种不同形状的折弯工件.后挡料板首先移至一确定位置限制折弯工件的折弯边长,滑块根据所需折弯角度下降至下模内一定深度进行折弯,然后回程,重复以上过程直至折弯工件加工完毕.电动折弯机硬件控制系统组成如图2所示,包括后挡料板机构(两台松下交流步进电机)、运动机构(左右Y轴三相交流异步电机)及系统检测与控制开关(PCL-730数字I/O卡).本系统通过计算机串行口转接485控制变频器,驱动左右轴三相交流异步电机运动.电机自带编码器与变频器构成半闭环控制.矢量控制的变频器脉冲丢失率为4×10-5左右,可以很好地实现电动机运行中的同步控制.采用PCL-839运动控制卡实现折弯机后挡料板运行.PCL-833三轴正交脉冲计数卡通过左右光栅尺、步进电机自带编码器实时采集折弯机工作滑块和后挡料板的位置参数,工业计算机处理后分别通过串口和运动控制卡来控制其运行.PCL-730数字I/O卡用作开关量控制及变频器运行控制.其同步控制的传递函数流程图如图3所示.在计算机上输入给定位置,经由串口送往变频器,变频器根据指定运行频率驱动三相交流异步电机.三相交流异步电机通过自带编码器实时反馈电机运行位置,通过变频器形成半闭环控制.因为电机要驱动较大负载,所以在滑块上外挂光栅尺,实时反馈滑块的实际位置到计算机,由计算机计算位置偏差,通过串口进行位置补偿.实现整个滑块的闭环控制,以提高控制精度.2控制指令动态软件系统由虚拟控制台界面和WDM(WindowsDriverModel)设备驱动程序构成,WDM是一个分层化的驱动程序模型.在这个驱动程序模型中,驱动程序的层或堆栈一起工作处理IRP(I/ORequestPacket).WDM驱动程序工作过程也是对IRP的处理过程.WDM采用左右栈对称的层次结构.左边是一个设备对象堆栈,从栈底向上的设备对象依次为物理设备对象(PDO)、下层过滤器设备对象(FIDO)、功能设备对象(FDO)和上层过滤器设备对象(FIDO),它们分别对应右边驱动程序栈中的总线驱动程序、下层过滤器驱动程序、功能驱动程序和上层过滤器驱动程序.应用层IRP沿着驱动程序栈自上向下接受处理,完成后自下向上返回.驱动程序开始向操作系统注册,随操作系统一起启动,操作系统获得驱动程序注册名,应用层程序通过调用系统函数CreateFile()获得设备对象的句柄,即可开始应用层和核心层通信.为了实时采集步进电机和异步电机的位置参数,采用正交脉冲计数卡的板载定时器产生1ms中断.指令执行采用应用程序和驱动层双缓冲方式.应用层负责将虚拟控制台产生控制指令放入指定的指令缓冲区中,并且响应虚拟控制台控件消息将指令压入驱动层指令缓冲区中,由驱动程序负责解释和执行相应指令.如图4所示.首先,应用层程序通过调用系统函数DeviceIoControl()给驱动程序设置一个全局自动复位读计数卡同步事件.然后创建一个读计数卡线程,该线程等待该同步事件.当该事件标志位由驱动程序置位时,该线程执行.另外,在每1ms中断到来时,中断服务例程先检测系统各状态是否正常,如急停开关、限位开关、变频器使能开关等状态.若系统正常,则根据需要寻找光栅尺相对零点,即响应寻找零点的中断,执行相应寻找零点指令;然后请求延时过程调用DPC(DefferdProcedureCall)对象.在DPCDispatch例程中,通过读计数卡数据,获得中断对象的自旋锁,判断是否需要发往应用程序.如果需要,则将上层传递来的全局同步事件置位,此时上层读计数卡线程执行,将实时读到的步进电机和异步电机的位置反馈数据读入应用层缓冲区,并送控制台动态显示.上述全局同步事件是自动复位的,当下一个中断到来时,读计数卡线程仍需等待该同步事件,以达到实时同步读取电机反馈数据的目的.上层应用程序根据实际需要加工的工件形状,计算步进电机行程,将该指令压入步进电机的指令缓冲区,底层驱动程序分析指令后交由运动控制卡控制步进电机运动到指定位置.接着读取上层传递下来的控制异步电机动作指令,在动作指令中都包含有启动运行最高频率和运行位置参数,每次指令传入,驱动程序从指令缓冲区中读取指令信息,由对应的指令解释器解释执行.系统还需使用工控机的串口作为工控机与变频器数据交换接口.通常的串口通信的方式是在应用层通过控件或者用WinAPI函数直接打开串口,在应用层读/写串口.但是本系统因为需要实时获得电机位置并据此实现系统的全闭环控制,以达到工作滑块精确定位的目的.如果在应用层打开串口,那么当电机运行到指定位置时,驱动程序必须返回数据到上层,再由上层发送指令到串口,整个过程延时过长.因为WDM设备驱动模型建立在分层结构上,所以为了提高系统的定位精度,本软件系统中,采用在驱动程序中打开串口设备对象的方式.如图3所示,应用层只需下传启动频率、运行位置等数据,而由驱动程序打开串口设备对象形成全闭环控制.通过主功能代码初始化实现对串口设备对象基本属性如波特率、停止位、校验位、缓冲区长度、缓冲区清空、读写超时等的设定.串口设备对象初始化完成,就可以在驱动程序中使用它.当接到上层运行指令时,驱动程序根据设定的运行最高频率通过指向串口设备对象的指针pSerialPort送往变频器,驱动异步电机.同样,还要给定步进电机的运行脉冲数.在中断服务例程中,通过读脉冲计数卡,将读取的数据与总行程的25%,50%,75%,90%比较,当滑块运行到相应位置时,通过pSerialPort依次将较低频率送往变频器,使电机在运行过程中实现梯形减速,最后实时比较给定位置和实际位置,若不在运行