机电控制系统自动控制技术与一体化设计探究

夏春龙

（江苏省南通市海安中等专业学校，江苏 南通 226600）

0 引言

伴随工业制造业的高速发展，机电控制系统的应用范围逐步扩大，对于机电控制系统的要求也更高。为切实满足行业的发展需求，需要相关设计人员对机电控制系统进行智能化设计，由此也就衍生出了自动化控制技术与一体化设计，有了该项技术的加持，企业生产的效率得到大幅度提升，同时也降低了人员的工作量，有效避免了人为操作实物所带来的损失，提高现场生产的安全系数。本文就机电控制系统自动控制技术与一体化设计方法及具体操作策略进行分析探讨。

1 机电一体化设计方法

1.1 整体设计法

系统中的每个部件都由对用的控制单元加以控制，以此让功能模块的使用更加便捷。应用整体可以让产品的设计效率大幅度提升，既是对原有设计观念的突破，也赋予了机电一体化设计全新的发展方向，一方面是有效压缩产品生产成本，同时也能进一步提高产品质量，使其与市场需求相契合，扩大产品的发展空间。

1.2 组合设计法

在机电一体化设计中，组合设计是应用最为广泛的设计方式。尤其是应用与数控机床领域，组合设计法的应用让数控机床作用得到最大化呈现。将各种标准相对独立的功能模块进行重新组合，使各个模块协调统一联合构成全新的一体化系统。组合法与其他设计法相比，最为显著的优势在于由多功能模块构成，所以只需要在原本设计的基础上进行即可，因此设计的耗时也相对较短。在组合设计法的应用中，为了获得最优化的产品质量，在增加产品价值的同时要尽可能降低生产成本，需要对市场进行深度调研，根据市场反馈信息了解行业发展趋势，并应用多种组合方式灵活开展设计工作，有效规避不同功能模块发生矛盾的现象，确保系统运行的稳定性，以此来实现机电产品的创新化设计。

1.3 取代设计法

此应用应用电子电位器取代机械电位器，对于线路的运行实现实时控制，这是传统机械线路所不具备的作用。因此采用取代法设计电子线路，不仅效率更高，也能使产品造价进一步降低，从而达到机电一体化设计的目标。

2 机电控制系统自动控制技术一体化设计方式分析

2.1 设计原理与关键技术

机电控制作为一项综合控制系统，是应用信息处理以及微电子等新型技术手段，对运行系统实现远程控制。自动化控制技术依托控制器，使系统可以按照设定程序对被控对象进行自动化管理与实时监控。将机电控制系统与自动控制技术进行一体化设计，对设备实现自动化形式检测与控制运行，促使机械设备的生产效率取得大幅度提升。因此在系统设计工作中，一方面要对控制器与核心器件进行设计，另一方面要兼顾到检测器与执行器的统筹设计。在控制系统运行阶段，系统辨识输入信号，经过控制器这一媒介转化为指令信号，执行器在接受信号后投入执行，从而实现数字的信号输出与显示，完成自动化控制的过程。检测装置检测到的输出信号，与指令信号进行比较，传送到控制装置中执行下一程序的操作，进而达到反馈控制的目的。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 单片机控制芯片

对控制系统的设计，需要首选单片机控制芯片，因为其具备仿真功能、信息存储量大等优势。I/O端口、控制程序、数据存储器CPU、中央处理单元、串口等都是单片控制芯片的组成部分，该芯片在实际连接过程中需要对应用总线进行统一，这样不仅无须对硬件做出改动，还可以减少资源所占内存，通过在串口就可以直接实现单片机的通信仿真。因为单片机控制芯片存在突出的应用优势，所以也同时提高了系统的稳定性与可靠性。

2.2.2 传感器

传感器数据检测、制定系统决策、执行系统操作三者之间具有紧密衔接性，所以在选择传感器时要高度谨慎。比如机电控制系统中最常用液位传感器与压力传感器，当将系统电压设置在24V时，可以实现MODBUS标准通信。如果将液位传感器应用到机电控制系统中，当系统中液罐高度达到2 m，采用CYW11传感器，因为其具有膜片隔离装置，所以可以保证密封性，而且安装便捷，结构简洁小巧，具备较强的耐冲击性，稳定性与精准度相对较高，抗干扰能力强。如果将压力传感器应用到机电控制系统中，当系统内部管道压强达到15千帕、将传感器额定电压设置在12～36V之间，测量介质为气体或者液体，输出信号为MODBUS标准通信，基于上述条件液压传感器均可展开正常运行。

2.2.3 电路设计

机电控制系统以前通常会通过IC元件对传感器接收到的信号做出统一处理，但是传感器技术输出信号在4～20 mA范围内时，IC元件仅能够用于输出与处理电压信号。所以对电流转换与电压转换的电路要做出合理化设计，可以尝试应用高精密的电压调节装置。当4～20 mA的电流经过电阻时会被转化为对应额度的电压，扣除基本电压后就能够得出电压输出值。4 mA电流的输出电压值为0 V，20 mA电流的输出电压值为5 V，所以应用上述的计算方式，可以得出电阻值，即208.33 Ω。基于此设计机电控制系统，需要以串联方式连接10 Ω微调电阻以及200 Ω固定电阻，应用+12V电压作为启动高度开关阀的电源。

2.3 系统软件设计

2.3.1 有机调节软件

机电一体化的自动控制系统设计，需要技术人员结合现场生产需求在系统程序中提前设定好工作时间组，便于直接应用对应按键的灵活调用。可以尝试选择非编码键盘中的运行键、停止键、档位键，其中运行键与停止键可以控制机械设备立即投入使用或者停止运行。在主程序当中，系统完成初始化作业后会清理存储单元数据，此时系统会处于自动监控状态，需要通过外部中断操作或者中断子程序。在自动化有级控制系统的冲击子程序中，在开进与关回油锥阀操作后，需要确定工作时间组，然后继续打开定时器，以控制油锥阀的开进与关回。当在处理有级自动控制键盘时，如果中途出现中断现象，系统会采用延时方式进行判定，进而消除抖动，此时如果有按键处于闭合状态，系统则会继续自动判断闭合键键号，并结合闭合键键号的实际，发出停止或者运行信号，最后中断抖动继续返回作业。

2.3.2 智能工作软件

机电自动化控制系统主要是依托压力变速器感应到的压力信号，控制高速开关阀门的启动闭合。控制模块软件需要逐一完成系统初始化、处理指令对接口输出数据、驱动执行模块等一系列任务。比如在液压冲击器系统的运用中，在A/D转换程序中，应用采样保持电路转换通道地址，继而进入片选环节，选择进入AINO模块通道。此时开启A/D转换程序并实施延时执行，转换结束就可以将结果传送到采样通道地址，否则将再次延时，直到完成全部转换操作，自动控制子程序需要按照开进与关回油锥阀门、关回与关进油锥阀门的顺序进行，然后完成对氮气室压力的自动化检测，根据压力值决定油锥阀门的操作。此时二次检测氮气室压力，在得到最小值后参照相关公式计算出反弹速度，同时做好详细记录。

3 机电一体化技术的实际应用分析

3.1 应用于数控机床改造

数控机床刀具以及工作台作业具有高密度特点，需要依据坐标轴展开，所以控制方式要具备插补功能以及连续控制功能。开环系统结构要尽量精简，一方面是为了方便维修，同时也可以控制成本。因此通常会在数控机床结构中设置环伺服系统，滚珠丝杠副的传动效率会相对提高，且磨损程度低、运动状态稳定，如果可以将滚珠丝杠副的传动装置提前做好预紧，就能够让丝杠与螺母中间的缝隙消除，在反向传动中增加定位的精准性，而且不会存有空间死角。Z80-CPU作为一项微处理系统，在我国数控机床系统中的应用非常普遍，与诸多应用软件均具有适配性，系统的开发升级难度也同样适宜。与Z80-CPU配套的芯片价格也在合理范围内，在实际应用中其可靠性与通用性较高，维修较为方便。Z80微处理系统的输入指令与输出指令，不论是格式还是执行时间都具有独特性，相比其他处理系统，反应速度会更快，这也就缩减了现场扫描的周期，极大地提高了机床工作的效率。因此，在实施数控机床改造中可以应用经济性的Z80-CPU系统，通过处理器对数控机床的运行参数进行精准运算，然后由输入与输出接口完成加步进脉冲的传递，经一级齿轮减速转矩增大后，纵、横向以伺服电机作为驱动元件，带动滚珠丝杠的转动。

3.2 应用于机械闭环控制

PMAC控制下的高密度闭环运动系统也是机电一体化系统中的一项，在我国工业自动化系统中较为常见。该控制系统模拟量输出信号范围为不大于10KV，通过设定步骤与调试就可以对伺服电机程序进行自动调整。利用丝杠螺距误差补偿以及反向间隙的调试，让系统整体的分辨率得到显著增加，精准度也会有所提升。工作人员在控制系统基础上，依据具体使用要求选择最为适宜的构成部分，以确保与工业生产需求相适应，最终设计出机电一体化系统。在运动控制技术不断发展的今天，运动控制器的硬件结构将会更加开放，并且便于安装与功能升级，为机电一体化系统拓展出更多可开发空间。

3.3 应用于纺织机械设备

化纤机械中的卷绕机一般会应用积极转方式，导丝器与卷绕筒两者的往复频率是处于相对固定的状态，而卷绕交叉角则是始终在变化的。该控制系统中包含导纱电机、测速电机、控制板，为避免纱料在过程中产生重叠现象，系统中还会增设螺旋线升角卷绕法、步进精密卷绕、摆频干扰卷绕等多种控制手段。PCC与TPU测速模块在获取到导丝器传动轴传感器、卷装转速传感器发出的感应信号后，会展开高速运算，并将运算结果转换成往复频率和锭轴转速传输到PCC系统中，系统自动查取到对应的绕速比值，同时分析绕速比值与卷绕角之间的关系，最终传输出更趋于合理饶速与控制信号，通过控制变频调速器调整导纱电机与锭轴电机的转速，以提高卷装容量与作业精度。

4 结语

综上所述，机电一体化是自动化控制技术与机电控制技术的智能化结合，是升级生产设备、简化生产流程的关键环节，企业积极运用机电控制系统实施生产工作，已经代表企业向智能化的发展方向迈进。当前企业需要做的是，加大对机电一体化产品的研究，通过自动化技术与信息化技术的加持，加快转变企业现有的生产与经营模式，走集约型发展道路，在降低生产成本的基础上，实现长效、稳定的发展。