文档介绍：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;DSP
1. 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 MATLA