机械变速压力机电液伺服自动控制系统设计

(陕西国防工业职业技术学院 数控工程学院，西安 710300)

机械变速压力机电液伺服自动控制系统设计

潘冬

(陕西国防工业职业技术学院数控工程学院，西安710300)

针对当前机械变速压力机运行效率偏低、抗干扰能力较差等问题，提出一种基于TMS320LF2407A的机械变速压力机电液伺服自动控制系统设计方法;对于系统的硬件部分，PLC对压力信号进行采集，电源模块采用稳压器完成12～5 V的DC/DC转化;利用晶振当作振荡源与闭合回路结合完成时钟模块的设计;系统的软件部分根据位置式的PID控制算法对机械变速压力机执行元件进行控制，完成软件的设计;实验证明，所设计的控制系统稳定性好，具有很好的抗干扰能力。

压力机；电液伺服；自动控制系统

0 引言

随着时间的推移，液压技术应运而生，已经发展到了可成熟运用的程度[1]。液压技术的迅速发展使其很快地应用至锻压设备、农用机械、航空航天等领域中[2]。近些年来，随着计算机的不断发展，尤其是液压伺服自动控制技术，它已经成为了现代控制技术中必不可少的手段，其连接起了微电子技术和大型控制对象，达到了对对象进行控制的目的[3]。

当前，我国液压工业的起步比较晚，20世纪的60年代我国引进了一批液压元件，并对其进行了研制，又自行设计和生产了低压和高压等多个液压系列[4]。80年代至90年代，我国大刀阔斧实现了液压行业的改造，并扩大了与发达国家在技术上的交流，引进了大量国外先进液压产品与技术。

机械变速压力机是根据曲柄连杆或者肘杆机构等构成的传动锻压机械，其工作平稳、操作条件好、自动化，比较适用于自动生产线[5]。为了提高机械变速压力机的工作效率，需要对其控制系统进行设计。当前机械变速压力机控制系统设计方法无法对其进行稳定高效地设计。而电液伺服技术为基于液压传动技术和自动控制技术的新兴技术，利用了其中的关键元件，就是电液伺服阀，实现了电、液之间的转换，这使小功率电信号可对大功率液压元件进行控制[6]。电液伺服系统尺寸小，反映速度比较快，而且抗负载刚度也比较大，能够快速精确地重复输入规律。随着电液伺服控制技术的不断发展，电液伺服阀元件批量化生产，降低了电液伺服控制系统成本。综上所述，利用电液伺服技术可对机械变速压力机的自动控制系统进行稳定可靠地设计。

为了提高多工位压力机的生产线自动化生产水平，王延年[7]等人提出了利用运动控制器对送料机械手的控制系统设计策略。对送料机械手整体的结构、工作流程以及伺服系统进行研究与分析，描述了控制系统硬件结构，介绍了运动控制器软件功能，并根据电子凸轮完成机械手于X、Y、Z三个方向和8个伺服轴联动。该方法下的自动控制系统较为简单，但是并不完善。为了减少人力和物力，同时给设计以及对曲柄伺服压力机进行优化的一系列系统组件，提供可行性参考，鲁文其[8]等人利用Simulink研发了曲柄伺服压力机数字化集成仿真系统，该系统根据运动控制、电驱动、传动机构几部分组建。运动控制模块设计了恒速以及变速驱动工作形式，电驱动模块引入了电子飞轮中的永磁交流伺服以及电机组合，永磁交流伺服利用了速度外环和电流内环两个控制结构矢量控制方案，加入变参数积分分离中的PI调节器，而机械转动机构根据的是曲柄连杆机构。该方法提高了压力机的工作效率，但不够稳定。为实现压力机在特定条件下精确控制，洪瑞[9]等人提出利用牛顿迭代法实现压力机控制系统的设计。该方法根据几何法组建曲柄转角滑块位移数学方程式，获得运动学的方程式，依据仿真拟合出曲柄转角滑块位移数学公式，通过MATLAB软件对目标工艺曲线进行拟合，利用牛顿迭代算法完成了通过滑块位移对转角多点一次性求解，通过计算结果以拟合曲柄转角时间函数，采用STM32完成输出目标脉冲。该方法具有一定的稳定性，但运行效率较低[10]。

1 机械变速压力机电液伺服自动控制系统设计

在机械变速压力机电液伺服自动控制系统设计中，以TMS320LF2407A作为控制系统核心，以高性能的PLC控制模块为辅助，再根据CTM1050完成机械变速压力机电液伺服自动控制系统硬件结构的设计，具体的系统设计参数如表1所示。

表1 压力机电液伺服自动控制系统参数

1.1 机械变速压力机电液伺服自动控制系统整体框架

机械变速压力机电液伺服自动控制系统的整体框架中，将传感器收集到的信号进行模数转换，利用控制算法实现数字信号的处理，并输出一组信号完成对电液伺服阀的控制。该系统包括电源电路、A/D与D/A转换、存储器模块、接口电路、时钟和复位电路与串口模块。

图1 压力机电液伺服自动控制系统整体框架

1.2 机械变速压力机电液伺服自动控制模块

在图2中，机械变速压力机电液伺服自动控制模块程序主要包含，自编全浮点的运算和变参数PID程序，内置PID指令的输出范围受限，无法进行实时控制的问题得以解决。光栅尺把压力机下压盘的位移变换成AB两相脉冲，而PLC根据中断的方式接受脉冲，完成计数功能，然后经软件四倍频，提高位移的测量精度以及分辨率，调理转换为提高加载力的测量与控制精度的重点。压力机电液伺服自动控制系统利用了高分辨率和高精度的压力传感器，与调理转换模块。该压力传感器满量程精度是±0.1%，调理转换将压力传感器应变信号放大，历经24位A/D转换器将其转换成数字量，且编码为浮点数，利用其总线输出，最终PLC根据通信的形式采集压力信号。上图中力的控制为半闭环，是依据控制液压缸的压力间接所控制的，不过经过0.3级的标准测力仪进行标定后，对压力机的控制完全可以达到误差为±1%的要求。

图2 压力机电液伺服自动控制模块

1.3 机械变速压力机电液伺服自动控制系统电源电路

在图3压力机电液伺服自动控制系统电源电路中，为了提高电压的稳定性以及精度，采用了LM2575系列的稳压器完成12～5 V的DC/DC转化。LM2575系列的稳压器具有使用简单的特点，内部设置频率补偿，并集成了固定振荡器，具有比较完善的电流限制保护、热关断，仅需添加少量的外围元件就能够组建高效的稳压电路，其中的特性参数是：最大的输入电压为45 V，输出电压为5 V，固定的震荡频率为54 kHz，输出的稳压容差为4%，转换的效率为75%～88%，工作的温度为-40～125℃，只需4个外围元件。

图3 压力机电液伺服自动控制系统电源电路

1.4 机械变速压力机电液伺服自动控制系统时钟电路

在压力机电液伺服自动控制系统时钟电路中，利用16 MHz晶振当作振荡源，其中的两个引脚和X1与X2引脚连接形成闭合回路，并配合内部的震荡工期生成控制系统的时钟信号。另外，需在晶振两个引脚位置，接入两个20 pf匹配电容和一个1 M匹配电阻。由此可提高机械变速压力机电液伺服自动控制系统的稳定性。

图4 压力机电液伺服自动控制系统时钟电路

1.5 机械变速压力机电液伺服自动控制系统复位电路

该复位电路是在TMS320LF2407A进行初始化，和运行过程中出现故障时，使压力机恢复至原始状态的关键手段。压力机电液伺服自动控制系统复位电路分为：电源上的电复位与手动复位。为了调试方便，这里采用手动复位形式，在控制系统运行时，仅需按复位按钮，就可以实现TMS320LF2407A的复位。

图5 压力机电液伺服自动控制系统复位电路

1.6 机械变速压力机电液伺服自动控制系统接口电路

在机械变速压力机电液伺服自动控制过程中，可能会与压力机自身其他部分控制单元数据交换，特别是和发动机进行通信交换得到发动机的转速信息时，需要和压力机的CAN总线连接。在TMS320LF2407A内部集成两个32位CAN功能控制器，其符合CAN2.0B协议标准，这大大减少了各部分通信时CPU的开销，仅需增加CAN收发器就可以完成CAN的通信功能，简化了外围电路。这里选取了CTM1050的CAN收发器所设计的CAN总线接口电路，CTM1050其实是一款面积不到3 cm2，内部聚集了全部的CAN收发器件和CAN隔离高速CAN收发器芯片，不需要再增加光耦以及DC/DC隔离等其他的元器件，可以直接和CAN控制器进行连接，这样就实现了将CAN控制器逻辑电平变换为CAN总线中差分电平的功能。在上图中的压力机电液伺服自动控制系统总线接口电路中，TMS320LF2407A的CAN控制器发送端和接收端连至CTM1050芯片的TXD以及RXD引脚，然后经CANH和CANL连至CAN总线上，为抑制机械变速压力机信号在总线的传输畸变与地面反射，要在CANH与CANL之间接入匹配的电阻R1。

图6 压力机电液伺服自动控制系统接口电路

2 机械变速压力机电液伺服自动控制系统软件设计

在以TMS320LF2407A为控制核心的机械变速压力机电液伺服自动控制系统中，其稳定性和系统响应速度等均十分重要，由此需要利用某种方式对其进行控制。PID控制算法具有简单、易控、鲁棒性好而且精度高的特点，PID控制算法是从模拟PID控制，发展到数字的PID控制器。PID控制规律是机械变速压力机电液伺服自动控制系统中比较常见的控制规律，其结构图如图7所示。

图7 PID控制原理

依据图7的控制算法原理，确定了PID为线性控制，其控制量为给定量r(t)与输出量y(t)间的偏差e(t)，表达式为：

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

进而得到PID在机械变速压力机电液伺服自动控制规律为：

(2)

式中，kp代表比例系数，TI代表积分时间常数，TD代表微分时间常数，k代表采样序号，T代表采样周期。根据式(2)可知，利用数字PID控制对机械变速压力机电液伺服自动控制的软件进行设计时，一般根据的是位置式的PID控制算法与增量式的PID控制算法。但机械变速压力机电液伺服自动控制系统是智能控制，所以连续PID控制算法无法直接使用，必须先进行离散化。

位置式的PID控制算法根据一系列的采样时刻点kT替换PID控制算法的连续时间量t，表达式为：

(3)

根据上式，可以获得离散PID的表达式：

(4)

式中，e(k)代表k时刻和(k-1)时刻得到的偏差信号。通过上式可知，位置式的PID控制算法利用输出量直接对机械变速压力机执行元件进行控制，所输出的值和执行元件位置直接对应。

为了进一步对机械变速压力机电液伺服控制系统的软件进行高效设计，利用增量式的PID算法对压力机进行控制。增量式的PID控制算法输出量为控制系统的增量Δu(k)，且根据递推原理获取：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)+kie(k)+

kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))]

(5)

通过上式可知，增量式的PID控制算法仅需知前三次的偏差，就能够获得增量。而在PID控制算法中，参数kp、ki、kd对机械变速压力机电液伺服自动控制系统的性能有着决定性作用，下面分析它们对控制系统的影响。

首先分析的是比例系数kp，它是影响机械变速压力机电液伺服自动控制系统响应速动和控制精度的关键参数，kp越大，系统的响应速度越快。

其次是积分系数ki，它是影响机械变速压力机电液伺服自动控制系统稳态误差的重要参数，ki越大，系统积分速度越快，且稳态误差去除的也比较快。

最后是微分系数kd，它是影响机械变速压力机电液伺服自动控制系统的动态性能的重要参数。PID控制微分环节所反映的偏差信号变化趋势，和抑制偏差向多个方向的变化，能够降低超调，进而增加机械变速压力机电液伺服自动控制系统的稳定性。

本文PID的控制参数利用试凑法获取：kp=5，kd=0.05，ki=0.1。上述的3个参数在PID控制算法对机械变速压力机电液伺服自动控制系统软件设计中，起着关键的作用，而PID算法可对以上3个参数进行有效控制，达到最佳效益。

3 实验结果与分析

3.1 实验步骤

1)通过对本文方法与文献[7-8]方法进行的实验，分析时间和输出量之间的关系，将对不同方法伺服系统的阶跃响应进行对比。

2)根据输出量利用位置式的PID控制算法和增量式的PID算法对压力机进行控制效果的参数进行对比，分析电液伺服自动控制系统控制效果。

3.2 实验参数与环境

实验过程中，机械变速压力机中的参数：活塞内直径为45 cm，活塞行程为40 cm，阀阻尼比为0.7，质量块为250 kg，阀压降为7 MPa，阀固有频率为80 Hz，位移传感器的增益为100，输入电流为10 mA。将上述实验参数输入至Matlab/Simulink平台上，实验对象如图8所示，将不同方法应用至该试验对象，观察不同方法的整体性能。

1)电液伺服自动控制系统的阶跃响应是判断机械变速压力机运行效率的重要指标，通过时间和输出量之间的关系，图9将对不同方法伺服系统的阶跃响应进行对比。

2)在机械变速压力机电液伺服自动控制系统中加入5 000 N的扰动，观察不同方法扰动阶跃响应。

3)PID控制算法中的3个参数kp、ki和kd决定了控制系统的控制性能，如果它们的值选取得当，可以获得良好的控制效果。表2为本文方法迭代5次3个参数的变化。

图8 实验对象

3.2 实验结果

从图9可以看出，文献[7]方法与文献[8]方法控制的响应静差都较小，而且控制的响应速度缓慢且滞后，调整的时间较长。本文所提方法机械变速压力机电液伺服自动控制模块利用了自编全浮点的运算和变参数PID程序，内置PID指令的输出范围受限，解决了无法实时控制的问题，加快了响应速度，调整的时间短，基本没有超调，控制效果良好。

图9 不同方法的伺服系统的阶跃响应对比

分析图10可知，加入5 000 N的扰动之后，本文方法的阶跃响应速度已然很快，而文献[7]方法提出了利用运动控制器对送料机械手的控制系统进行设计的策略，其中并没有设置合理的参数对其稳定性进行控制，但本文方法中分别利用了3个参数对控制系统进行控制，提高了扰动情况下系统的稳定性和响应速度。

图10 不同方法加入5000N扰动阶跃响应

迭代数量/次kpkikd150．20．05240．10．04350．10．05440．20．06560．10．05

根据表2可知，本文方法可对kp、ki和kd进行很好地控制，本文方法利用位置式的PID控制算法根据输出量直接对机械变速压力机执行元件进行控制，并进一步通过增量式的PID算法对压力机进行控制，由此可以很好地控制上述3个参数。

4 结束语

电液伺服自动控制系统广泛应用至军事以及民用等各个方面，它具有响应速度快、输出功率大、控制精度高等特点，而在机械变速压力机上的应用也十分常见，本文利用软硬件结合的方式对机械变速压力机电液伺服自动控制系统进行设计，具有良好地控制性能。但依然需要对某些方面做进一步提高：

1)对于系统中存在的多输入及多输出现象应做进一步研究；

2)应对自动控制系统的设计与实现的成本进行控制，从而进一步提高本文方法的整体性能；

3)随着科技的日新月异，机械变速压力机电液伺服自动控制系统也应随着时代的进步而进步，更好地服务大众。

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MechanicalSpeedPressureElectromechanicalHydraulicServoAutomaticControlSystemDesign

Pan Dong

(Numerical Control Engineer Institute, ShaanXi Institute of Technology,Xi′an 710300, China)

In view of the low efficiency and poor anti-interference ability of the mechanical transmission press, a design method of electro hydraulic servo automatic control system for mechanical transmission pressure based on TMS320LF2407A is presented. For the hardware part of the system, PLC collects the pressure signal, and the power module adopts the voltage regulator to complete the DC/DC conversion of 12～5 V. The oscillator is used as the oscillation source and the closed loop is combined to complete the design of the clock module. The software part of the system controls the actuating element of the mechanical variable speed press according to the position type PID control algorithm, and completes the design of the software. The experimental results show that the designed control system has good stability and good anti-interference ability.

press;electro-hydraulic servo;automatic control system

2017-07-17；

2017-08-14。

潘 冬(1980-)，男，陕西城固人，硕士，副教授，主要从事机械工程数控技术方向的研究。

1671-4598(2017)10-0073-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.020

U463

A