基于矢量控制的電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)控制系統(tǒng)的研究

基于矢量控制的電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)控制系統(tǒng)的研究

由于其良好的耐剛性、簡(jiǎn)單的工藝和多種技術(shù)，板料彎曲變形在板料加工中得到了廣泛應(yīng)用。以前的重型彎頭液壓縮換速器的液壓槽響應(yīng)緩慢，不利于調(diào)整，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高。三角形異步電機(jī)的直接故障控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，控制質(zhì)量好。因此，在這項(xiàng)工作中，我們研究了基于傳統(tǒng)彎頭運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)。1系統(tǒng)的硬件組成系統(tǒng)工作原理如圖1所示,系統(tǒng)共有3個(gè)控制軸:步進(jìn)電機(jī)控制的X軸(后擋料板定位軸)和異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Y1,Y2軸(滑塊位移調(diào)整軸).折彎?rùn)C(jī)通過調(diào)整X軸,Y1和Y2軸的位移,即可折成各種不同形狀的折彎工件.后擋料板首先移至一確定位置限制折彎工件的折彎邊長(zhǎng),滑塊根據(jù)所需折彎角度下降至下模內(nèi)一定深度進(jìn)行折彎,然后回程,重復(fù)以上過程直至折彎工件加工完畢.電動(dòng)折彎?rùn)C(jī)硬件控制系統(tǒng)組成如圖2所示,包括后擋料板機(jī)構(gòu)(兩臺(tái)松下交流步進(jìn)電機(jī))、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(左右Y軸三相交流異步電機(jī))及系統(tǒng)檢測(cè)與控制開關(guān)(PCL-730數(shù)字I/O卡).本系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)串行口轉(zhuǎn)接485控制變頻器,驅(qū)動(dòng)左右軸三相交流異步電機(jī)運(yùn)動(dòng).電機(jī)自帶編碼器與變頻器構(gòu)成半閉環(huán)控制.矢量控制的變頻器脈沖丟失率為4×10-5左右,可以很好地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的同步控制.采用PCL-839運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)折彎?rùn)C(jī)后擋料板運(yùn)行.PCL-833三軸正交脈沖計(jì)數(shù)卡通過左右光柵尺、步進(jìn)電機(jī)自帶編碼器實(shí)時(shí)采集折彎?rùn)C(jī)工作滑塊和后擋料板的位置參數(shù),工業(yè)計(jì)算機(jī)處理后分別通過串口和運(yùn)動(dòng)控制卡來控制其運(yùn)行.PCL-730數(shù)字I/O卡用作開關(guān)量控制及變頻器運(yùn)行控制.其同步控制的傳遞函數(shù)流程圖如圖3所示.在計(jì)算機(jī)上輸入給定位置,經(jīng)由串口送往變頻器,變頻器根據(jù)指定運(yùn)行頻率驅(qū)動(dòng)三相交流異步電機(jī).三相交流異步電機(jī)通過自帶編碼器實(shí)時(shí)反饋電機(jī)運(yùn)行位置,通過變頻器形成半閉環(huán)控制.因?yàn)殡姍C(jī)要驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載,所以在滑塊上外掛光柵尺,實(shí)時(shí)反饋滑塊的實(shí)際位置到計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)計(jì)算位置偏差,通過串口進(jìn)行位置補(bǔ)償.實(shí)現(xiàn)整個(gè)滑塊的閉環(huán)控制,以提高控制精度.2控制指令動(dòng)態(tài)軟件系統(tǒng)由虛擬控制臺(tái)界面和WDM(WindowsDriverModel)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成,WDM是一個(gè)分層化的驅(qū)動(dòng)程序模型.在這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序模型中,驅(qū)動(dòng)程序的層或堆棧一起工作處理IRP(I/ORequestPacket).WDM驅(qū)動(dòng)程序工作過程也是對(duì)IRP的處理過程.WDM采用左右棧對(duì)稱的層次結(jié)構(gòu).左邊是一個(gè)設(shè)備對(duì)象堆棧,從棧底向上的設(shè)備對(duì)象依次為物理設(shè)備對(duì)象(PDO)、下層過濾器設(shè)備對(duì)象(FIDO)、功能設(shè)備對(duì)象(FDO)和上層過濾器設(shè)備對(duì)象(FIDO),它們分別對(duì)應(yīng)右邊驅(qū)動(dòng)程序棧中的總線驅(qū)動(dòng)程序、下層過濾器驅(qū)動(dòng)程序、功能驅(qū)動(dòng)程序和上層過濾器驅(qū)動(dòng)程序.應(yīng)用層IRP沿著驅(qū)動(dòng)程序棧自上向下接受處理,完成后自下向上返回.驅(qū)動(dòng)程序開始向操作系統(tǒng)注冊(cè),隨操作系統(tǒng)一起啟動(dòng),操作系統(tǒng)獲得驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)名,應(yīng)用層程序通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)CreateFile()獲得設(shè)備對(duì)象的句柄,即可開始應(yīng)用層和核心層通信.為了實(shí)時(shí)采集步進(jìn)電機(jī)和異步電機(jī)的位置參數(shù),采用正交脈沖計(jì)數(shù)卡的板載定時(shí)器產(chǎn)生1ms中斷.指令執(zhí)行采用應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)層雙緩沖方式.應(yīng)用層負(fù)責(zé)將虛擬控制臺(tái)產(chǎn)生控制指令放入指定的指令緩沖區(qū)中,并且響應(yīng)虛擬控制臺(tái)控件消息將指令壓入驅(qū)動(dòng)層指令緩沖區(qū)中,由驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)解釋和執(zhí)行相應(yīng)指令.如圖4所示.首先,應(yīng)用層程序通過調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)DeviceIoControl()給驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置一個(gè)全局自動(dòng)復(fù)位讀計(jì)數(shù)卡同步事件.然后創(chuàng)建一個(gè)讀計(jì)數(shù)卡線程,該線程等待該同步事件.當(dāng)該事件標(biāo)志位由驅(qū)動(dòng)程序置位時(shí),該線程執(zhí)行.另外,在每1ms中斷到來時(shí),中斷服務(wù)例程先檢測(cè)系統(tǒng)各狀態(tài)是否正常,如急停開關(guān)、限位開關(guān)、變頻器使能開關(guān)等狀態(tài).若系統(tǒng)正常,則根據(jù)需要尋找光柵尺相對(duì)零點(diǎn),即響應(yīng)尋找零點(diǎn)的中斷,執(zhí)行相應(yīng)尋找零點(diǎn)指令;然后請(qǐng)求延時(shí)過程調(diào)用DPC(DefferdProcedureCall)對(duì)象.在DPCDispatch例程中,通過讀計(jì)數(shù)卡數(shù)據(jù),獲得中斷對(duì)象的自旋鎖,判斷是否需要發(fā)往應(yīng)用程序.如果需要,則將上層傳遞來的全局同步事件置位,此時(shí)上層讀計(jì)數(shù)卡線程執(zhí)行,將實(shí)時(shí)讀到的步進(jìn)電機(jī)和異步電機(jī)的位置反饋數(shù)據(jù)讀入應(yīng)用層緩沖區(qū),并送控制臺(tái)動(dòng)態(tài)顯示.上述全局同步事件是自動(dòng)復(fù)位的,當(dāng)下一個(gè)中斷到來時(shí),讀計(jì)數(shù)卡線程仍需等待該同步事件,以達(dá)到實(shí)時(shí)同步讀取電機(jī)反饋數(shù)據(jù)的目的.上層應(yīng)用程序根據(jù)實(shí)際需要加工的工件形狀,計(jì)算步進(jìn)電機(jī)行程,將該指令壓入步進(jìn)電機(jī)的指令緩沖區(qū),底層驅(qū)動(dòng)程序分析指令后交由運(yùn)動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置.接著讀取上層傳遞下來的控制異步電機(jī)動(dòng)作指令,在動(dòng)作指令中都包含有啟動(dòng)運(yùn)行最高頻率和運(yùn)行位置參數(shù),每次指令傳入,驅(qū)動(dòng)程序從指令緩沖區(qū)中讀取指令信息,由對(duì)應(yīng)的指令解釋器解釋執(zhí)行.系統(tǒng)還需使用工控機(jī)的串口作為工控機(jī)與變頻器數(shù)據(jù)交換接口.通常的串口通信的方式是在應(yīng)用層通過控件或者用WinAPI函數(shù)直接打開串口,在應(yīng)用層讀/寫串口.但是本系統(tǒng)因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)獲得電機(jī)位置并據(jù)此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全閉環(huán)控制,以達(dá)到工作滑塊精確定位的目的.如果在應(yīng)用層打開串口,那么當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到指定位置時(shí),驅(qū)動(dòng)程序必須返回?cái)?shù)據(jù)到上層,再由上層發(fā)送指令到串口,整個(gè)過程延時(shí)過長(zhǎng).因?yàn)閃DM設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型建立在分層結(jié)構(gòu)上,所以為了提高系統(tǒng)的定位精度,本軟件系統(tǒng)中,采用在驅(qū)動(dòng)程序中打開串口設(shè)備對(duì)象的方式.如圖3所示,應(yīng)用層只需下傳啟動(dòng)頻率、運(yùn)行位置等數(shù)據(jù),而由驅(qū)動(dòng)程序打開串口設(shè)備對(duì)象形成全閉環(huán)控制.通過主功能代碼初始化實(shí)現(xiàn)對(duì)串口設(shè)備對(duì)象基本屬性如波特率、停止位、校驗(yàn)位、緩沖區(qū)長(zhǎng)度、緩沖區(qū)清空、讀寫超時(shí)等的設(shè)定.串口設(shè)備對(duì)象初始化完成,就可以在驅(qū)動(dòng)程序中使用它.當(dāng)接到上層運(yùn)行指令時(shí),驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行最高頻率通過指向串口設(shè)備對(duì)象的指針pSerialPort送往變頻器,驅(qū)動(dòng)異步電機(jī).同樣,還要給定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行脈沖數(shù).在中斷服務(wù)例程中,通過讀脈沖計(jì)數(shù)卡,將讀取的數(shù)據(jù)與總行程的25%,50%,75%,90%比較,當(dāng)滑塊運(yùn)行到相應(yīng)位置時(shí),通過pSerialPort依次將較低頻率送往變頻器,使電機(jī)在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)梯形減速,最后實(shí)時(shí)比較給定位置和實(shí)際位置,若不在運(yùn)行