成型機伺服控制系統(tǒng)的設計

本文基于對輪胎成型機工作原理和對伺服系統(tǒng)各個組成進行分析，設計了一套成型機伺服控制系統(tǒng)。

1、引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，汽車已經(jīng)做完新興代步工具進入千家萬戶。而作為汽車必不可少的輪胎也必然成為有車一族的消費品，因其多種應用具有廣闊的市場前景。這種需求拉動了我國輪胎，橡膠行業(yè)。致使國際、國內(nèi)的輪胎制造商紛紛登陸中國投資建廠，擴大生產(chǎn)規(guī)模，滿足不斷增長的輪胎需求。輪胎生產(chǎn)中最重要的一個環(huán)節(jié)就是輪胎的成型，各國的輪胎成型機制造商無不絞盡腦汁研究，開發(fā)高效，精確，快捷的輪胎成型設備。近年來，隨著微電子技術、電力電子技術、計算機技術、現(xiàn)代控制技術、材料技術的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，伺服技術已迎來了新的發(fā)展機遇，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)的步進伺服、直流伺服發(fā)展到以永磁同步電機、感應電機為伺服電機的新一代交流伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣直接決定與影響著自動控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和精確性，機、電、液的組合成為目前工業(yè)自動化的主要技術基礎。伺服控制系統(tǒng)用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移(或轉角)準確地跟蹤輸入的位移(或轉角)。伺服系統(tǒng)的結構組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)的主要任務是按照控制命令要求，對信號進行變換、調控和功率放大等處理，使驅動裝置輸出的轉矩、速度及位置都能靈活方便的控制。

由于伺服電機響應快，速度高，并且定位精度高的特點，現(xiàn)在成型機普遍選用這一類電機作為送布電機和小車板控制電機。隨著成型機市場對成型機精度和成型機速度的不斷追求，UV平板成型機將逐漸被推向市場。隨著UV平板成型機的發(fā)展，配套的伺服電機也將升級換代。在中高端的成型機市場上將以交流伺服電機系統(tǒng)為主。所以很多廣告客戶最終選擇成型機。為迎合國內(nèi)市場，部分生產(chǎn)廠家開始在引進國外先進技術的基礎上研發(fā)生產(chǎn)自主品牌的成型機。

2、輪胎成型機介紹

輪胎成型機設備整套系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、伺服控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構等組成。輪胎的成型就是根據(jù)輪胎尺寸要求，把掛膠的簾布和帶子裁斷成一定長尺寸，經(jīng)過貼合，擠壓形成胎坯。因此，根據(jù)成型工藝的要求，設備一般包含胎體貼合鼓，帶束層鼓，成型鼓，內(nèi)圈傳遞環(huán)，外圈傳遞環(huán)，帶束層供料架，簾布供料架，冠帶層供料架，復合膠。這些設備的傳動要求速度快，位置的定位準確，同時，主鼓在轉動時，要求其輔助設備能夠同步供料。因此，這些設備的傳動采用伺服電機。在供料架的輔助傳動，裁斷等傳動上有相關普通電機需要控制。各個機架還有很多開關點，傳感器點。還有一些氣動單元需要控制。另外，一臺高效的成型機要能夠制造不同尺寸，不同規(guī)格的胎，即在人機界面上，可以調用各種生產(chǎn)工藝，執(zhí)行各種生產(chǎn)工藝，顯示，記錄生產(chǎn)狀況。有的廠家還要求能夠遠程調試，監(jiān)控等。因此，設計一臺高效，結構簡捷，安裝調試簡單，控制既集中又分散的控制系統(tǒng)是自動控制廠商不斷追求的目標。

在輪胎成型機中有眾多的氣動元件，變頻器需要控制，為了減少復雜的安裝，我們采用了CAN總線通訊技術，即一條電纜控制多臺變頻器，自動化閥島，多點傳感器單元，采集多個編碼器數(shù)據(jù)。這種設計由于省掉了大量的模擬量，高速計數(shù)模板，而使價格有了相當?shù)母偁幜?，也使安裝節(jié)省了大量的電纜鋪設。可靠性大大提高。目前，帶CAN總線的編碼器使數(shù)據(jù)的傳輸再也不用擔心干擾對其的影響。

3、伺服控制原理

3.1運動控制卡

運動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機，是基于PC總線，利用高性能微處理器(如DSP)及大規(guī)?？?a target="_blank">編程器件實現(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點可用于語限位、原點開關等。產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域中需要精確定位、定長的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過計算機方便地調用。

運動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機驅動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號，進而控制伺服電機的轉速。伺服驅動器既要與運動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。

如果你的運動控制卡時比較好的卡，伺服刷新率可以達到要求，可以把編碼器反饋直接接到運動控制卡，形成一個整體的閉環(huán)。若對對精度有很高的要求可以用雙閉環(huán)，運動控制卡就是根據(jù)要求x-y平臺運行的位置，控制電機運動到準確的位置。

3.2PC總線

現(xiàn)有的放開式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案主要采用PC機和數(shù)控系統(tǒng)結合的方法，PC機作為上位機實現(xiàn)較為復雜的網(wǎng)絡通信，人機交互等功能，數(shù)控系統(tǒng)作為下位機將上位機輸入的運行參數(shù)經(jīng)過處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行，同時將檢測系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機實現(xiàn)實時監(jiān)控，各個模塊之間協(xié)調工作互不干擾，給系統(tǒng)升級帶來了方便。

放開式系統(tǒng)動態(tài)控制器的核心是DSP，它具有運算速度快，支持復雜運動算法的特點，可以滿足高精度運動控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動態(tài)控制卡越來越廣泛地應用在運動控制系統(tǒng)中，將多軸動態(tài)控制卡插在PC機擴展槽上，就可以組成高精度運動控制系統(tǒng)，位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制計算及控制量的輸出均由動態(tài)控制卡完成，極大的提高了運算速度和控制響應速度，將工控機的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計算中解決出來，從而可以更好的實施整個控制系統(tǒng)的管理。