基于 RCP 的直驱式伺服冲床控制系统的开发
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基于RCP的直驱式伺服冲床控制系统的开发华东理工大学 黄伟，吴德龙，肖千成，张少臣易建军 教授摘 要：根据伺服冲床的功能要求与技术指标，以基于DSP的最小系统为开发平台，对伺服冲床冲压材料成型控制规律的一般方法进行研究。
依据不同材料的冲压特性，借助于MATLAB工具进行系统建模与仿真，并对系统进行仿真分析，以此来设计具有精度高、响应迅速、运转稳定及满足特定加工要求的控制系统。
关键词：伺服冲床；Matlab；成型控制规律；系统建模；DSP1.选题背景伺服冲床是近年来适应精密制造与高科技电子产品自动化生产需要而产生的加工设备，采用数字伺服控制，可进行多样化的冲压、锻、压加工。
冲压成型可以实现全过程控制，具有高精度、高效率、节能环保、低噪音、低振动的特点。
快速控制器原型（Rapid controller prototyping, RCP）则是在开发初期阶段，快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次离线的及在线的测试来验证控制系统软、硬件方案的可行性，并将将错误及不当之处消除于设计初期，使设计修改费用减至最小。
本项目是对伺服冲床控制器的开发，通过对伺服冲床机械系统的实体建模，利用快速控制器原型（RCP）技术，开发出具有实际应用价值的伺服冲床控制器。
2.伺服冲床的结构与功能分析设计思想是下面是对冲床结构与功能作简单介绍。
图 1 直驱式伺服冲床结构图直驱式伺服冲床由DSP(TMS320F2812) [1]模块控制直驱式电机产生原动力，驱动滚珠螺杆丝杠带动滑块做上下的往复运动，通过改变电机输入转速轨迹来控制并改变滑块的单一运动速度轨迹，从而使其适应不同材料及加工方式的需求。
其结构如图1所示，主要包括：控制部分、采集部分、动力部分以及床体部分。
通过Pro/E建模，得到的系统的实体模型，如图2所示，顶部黑色部分为伺服电机，通过联轴器，直接驱动丝杠旋转，带动滑块运动。
图 2 直驱式伺服冲床实体模型3.系统开发方案本文主要研究伺服冲床在冲压过程中的材料成型控制规律的问题，其主要是对滑块的速度轨迹的控制，但对于滑块的全闭环控制来说是十分复杂的系统，要得到理想的控制结果，对控制算法及其建模都有很高要求，而材料的最佳成型规律是在一定冲压速率范围内的，因此在速度环上，本系统采用半闭环，位置环上采用全闭环的控制方式。
整个控制系统的结构如图3所示，输入信号为期望的电机的速度轨迹，输出信号为滑块的实际速度轨迹，执行元件为直驱式伺服电机，被控对象为滑块，检测装置有光电编码器(反馈电机的速度信息)与光栅尺(反馈滑块的位置信息)，其中虚线部分为DSP完成的控制算法，首先控制器计算并产生期望的速度轨迹信号，将此信号与反馈的速度信号相比较计算出所需值并将其转变为相应的PWM波输出给伺服控制器，控制器接受PWM信号驱动直驱式电机运转，控制器通过控制PWM波的频率控制电机转动速度，同时电机驱动传动机构带动滑块的做往复的冲压运动；同时滑块的位置信号反馈给控制器，控制器据此对电机运动做出相应的调节控制。
根据控制系统的结构框图，本文利用MATLAB中SIMULINK工具快速地构建一个具有相关功能的DSP系统作为伺服冲床系统的控制器，并对整个控制系统进行仿真测试来验证控制系统软、硬件方案的可行性；借助于MATLAB中专门针对该型号DSP芯片进行编程的Target for TI C2000工具箱[4]进行图框化编程，结合具体的材料成型方式进行控制算法的编写工作，设计满足系统要求的通用控制器，最后通过编译，将MATLAB中的框图程序在CCS环境中转换成C代码并通过仿真器下载到具体的DSP芯片中，将DSP系统联入到具体的伺服冲床系统中，就可以对所编写的控制算法进行验证。
不仅提高了开发效率，而且节约了开发时间与成本，同时使开发者从繁琐的软硬件设计及代码编写中释放出来，将更多精力专注在控制算法及系统优化上面。
图3 伺服系统闭环控制系统框图4.系统模型构建根据系统的控制结构框图，本文主要对速度环进行建模与仿真，系统的程序框图如图4所示，其中signal generator 模块产生电机的期望的速度轨迹信号，此信号与反馈的速度信号相比较计算出所需值，此速度信号经过PID 调节器后被送入speed to frequency 模块，此模块负责将速度值转换为与之相对应的PWM 波的频率值作为伺服电机系统的输入，输出为电机的实际速度轨迹，Scope3与Scope2将分别描绘出速度轨迹曲线以及位移曲线。
通过观测器可直观获得仿真结果，以此来对PID 各参数[5]以及signal generator 模块的算法进行及时修改，以得到满意的仿真结果。
其主要包括包括伺服电机、机械结构与控制器的建模。
图4 伺服系统闭环控制程序框图4.1伺服电机的建模由于其作为一种机电控制元件，电动机最终完成的是电能向机械能的转换，因此它的数学模型应该包括机械和电气两部分，但事实上，由于永磁交流伺服系统的频带比整个伺服控制系统的信号频带宽很多，所以可以将其简化为一阶惯性环节[6]，其数学模型为：)(111)()()(2121s K s K K K s K K s U s N s G m m m m ταττ+⋅+⋅−+⋅==)(12121s K K K s K K K m m m τατ+⋅⋅−+⋅= ''''K s K +=τ 其中φe m K K 1=其中m τ为伺服电机的机电时间常数：2φτT e a G m K K R J = G J 为转速惯量，为电枢电阻，为电势常量，为转矩常量，a R e K T K φ为电机磁通我们根据电机的这些制造参数，则可以精确的建立伺服电机的数学模型。
就可以在后面的SIMULINK 中进行仿真分析。
4.2 机械机构建模如图5中adams_sub 模块为滚珠丝杆与滑块的机械结构部分，机械机构借助于pro-E 软件进行实体建模，之后将其导入到ADAMS 仿真软件中借助ADAMS/Controls 模块构造系统样机模型，确定各种约束与作用力，并将ADAMS/View 或ADAMS/solver 程序与MATLAB 控制软件相结合，建立机械系统与控制系统共享ADAMS 建立的样机模型[7]，进行联合仿真分析。
其具体构造流程如图5所示。
adams_sub 模块接收伺服电机的转速信息，并输出滑块的速度信息。
图5 机械机构建模流程图4.3控制器模型构建控制系统建模的思路如图6所示。
其开发思路如下：（1）控制系统的功能、用途进行分析，确定系统的研究方向：设计出能满足伺服冲床控制要求的伺服冲床控制器。
（2）建立系统的数学模型，包括伺服冲床的机械模型、伺服电机的模型，通过ADAMS 和Matlab/Simulink 建立系统的数学和动力学模型。
（3）利用建立起的统一的Simulink 系统模型（包括执行机构、传动机构、传感器部分、DSP 控制器）。
设计出位置环和速度环的闭环控制。
并对其进行仿真分析，确定控制策略，并对系统的控制算法进行验证。
通逐步调试，得到合适的控制系统PID 参数。
（4）完成控制器模型的RCP 实现，将上一步得到的控制系统模型导入，借助于Target for TI C2000工具箱，搭建DSP 系统的控制器与控制算法的模型，并对完成的DSP 控制器模型进行仿真分析。
（5）代码的自动转换与系统验证：将MATLAB 下的DSP 控制器框图程序通过实时工作站(Real-time workshop)转换为CCS 下的C 代码，经编译、链接后下载到具体的伺服冲床控制系统中进行验证；其后加入必要的通讯、人机交互等功能模块。
完成产品级控制器的开发。
图6 DSP控制器开发流程图使用Matlab软件中专门针对DSP进行编程的Target for Ti C2000工具包，快速构建控制器模型[8]，其主要包括F2812目标参数设定功能模块，用来确定开发板所选择的DSP芯片的类型；C281xQEP功能模块，来读取光电编码器的脉冲值；C281xPWM功能模块，又来输出相应的PWM 波；signal generator模块，用于产生期望的滑块速度轨迹信号；PID Controller功能模块，对转速进行调节作用。
其程序框图如图7所示，输入PID 模块的基准值为期望的滑块速度轨迹,由signal generator 模块输出，同时基准转速与采集模块得到的电机实际速度值相比较，通过PID 调节计算出所需转速，之后通过speed to frequency 模块将速度值转换为PWM 波的频率值，由DSP 自带的PWM 模块产生相应的PWM 波形输出给伺服驱动器。
最后将MATLAB 中的框图程序在CCS 环境中转换成C 代码并通过仿真器下载到具体的DSP 芯片中，对真实系统进行验证。
图7 DSP 控制器程序框图5. 仿真与结果分析对于材料的加工特性而言，材料内部应力的变化是影响材料加工质量的主要因素，而这种材料的这种状态特性可以描述成应力-应变-应变速率曲面上的一个点，利用此特性使材料在加工时其形变沿着此曲线上的最佳曲线进行，即可得到良好的加工效果。
以某种材料的冲压引伸成形为例，其中各模块所需参数如表1所示，设计其加工轨迹如图8所示，要求冲压时引伸速度在100mm/s 左右，滑块的进程与回程速度为200mm/s 左右,在拐点B 处滑块进入预压状态，速度开始减小，C 处为冲压时速度，基本可以满足100mm/s 的冲压要求，拐点D 处，滑块达到下死点进入保压状态(这里设计保压时间为零)，速度为零，之后滑块在E 点开始回程加速，F 点时回到工作起点。
相应的滑块速度轨迹与位移轨迹曲线如图9与10所示，可以发现，在预设的加工区间内，滑块的实际运动速度能满足加工要求。
图8滑块位置预设图0100200-100-2000.5 1.0 1.52.0 2.53.0 3.50.0滑块速度(mm/s)时间(s)A BC D图 9 滑块速度轨迹曲线图 10滑块位移轨迹曲线图6.创新点本系统是以直驱式伺服冲床作为被控对象，通过一个在TMS320F2812处理器上实现的简单材料引伸加工算法的例子，叙述了在 matlab平台上设计材料成型控制规律的思路和大体流程，包括算法模型的设计与仿真，通过整个开发流程可以看出其开发的优点，它使开发者从繁琐的编写和调试程序的工作中抽身出来，而更加专注与算法模型的设计、优化以及最终结果的验证。
这大大缩短了产品开发时间，降低了软件开发成本。
对设计具有实时响应快、精度高、稳定性好的伺服冲床控制系统，扩大伺服冲床的加工范围及提高产品加工质量都具有积极作用。
［参考文献］【1】. 刘和平,邓力,江渝.数字信号处理器原理、结构及应用基础—TMS320F28x[M].机械工业出版社.2007.【2】. 周立功.ARM嵌入式系统试验教程[M].广州周立功单片机发展有限公司.【3】.Hong-Sen Yan, Wei-Ren Chen. A variable input speed approach for improving the output motion characteristics of watt-type presses[J]. International Journal of Machine Tools &Manufacture.1999(40) :675–690.【4】. 郭伟，潘仲明.基于MATLAB平台的DSP控制系统仿真技术研究[J].测控技术. 2006，25(11):55－58 【5】. 李伟.基于PID的恒压供水系统压力震荡的消除方法[J].电子技术.2005(1):43-45【6】. 江艳.基于xPC_Target快速运动控制器原型设计[D].华东理工大学学士学位论文.2008,6. 【7】. 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].国防工业出版社.2006,4.【8】.关懿峰.基于嵌入式目标的DSP系统开发及其在材料试验机伺服控制系统中的应用研究[D].华东理工大学机械与动力工程学院.2006.。
