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1 引言</p><br><p>
随着制造业朝着生产规模化、产品个性化的方向发展,产品型号变化加快,生产批量相对变小,多种型号共线生产、覆盖件大型化,一体化的趋势日益明显,要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载的运转,而且应具有更大的柔性,能迅速、方便地改变输出运动规律。以上这些不断提高的加工工艺和生产条件的多样化都促进了锻压设备行业的重大变革。在需求的推动下,目前,世界上出现伺服电机直接驱动的伺服压力机,能够满足塑性加工、难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形等成形工艺的要求。伺服压力机采用交流伺服电机代替普通交流电机,去除传统曲柄压力机上的飞轮和离合器,使得压力机机械结构得以简化,可靠性增强。所以研制适合不同材料加工要求的压力机数字控制系统, 对提高材料加工技术的水平和加工装备的数字化能力具有十分重要的现实意义[1]。</p><p>
伺服压力机的基本结构及对控制系统的要求与传统压力机比较,伺服压力机取消了原有压力机的飞轮和离合器,保留了曲柄滑块驱动机构,其传动系统采用一级齿轮减速系统,将其运动和动力传递给压力机的曲轴,由曲轴的转动实现压力机的往返运动。</p><p>
同时,伺服压力机对控制系统有更高的要求,一般要求控制系统满足:可编程的滑块运动曲线,适应不同的加工对象、不同材质的加工工艺;滑块位置和速度的精确控制;快速的响应[2]。 </p><br>
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根据上述伺服压力机的功能要求,本系统选用了“工控机+ARM运动控制卡"的硬件设计方案。工控机负责系统的非实时部分的工作,完成运动曲线的读取和设置,工艺的优化以及运行状态参数的显示,ARM运动
控制卡负责系统的实时部分,完成伺服压力机的实时运动控制和数据逻辑的处理。ARM运动控制卡与工控机之间、采用成熟的串行通信进行通信。采用STM32系列的ARM芯片,STM32是意法半导体推出的一款32位的微控制器,该控制器所用微处理器是ARM 公司开发的Cortex2M3内核。CortexM3进行了多项技术改进,使得代码执行速度更快,同时能耗更低。在外设方面,该型号包含有两个12位逐次逼近型的模拟/数字转换器,转换时间最高为1ms ; 3个USART通讯接口,支持全双工的数据交换,提供宽范围波特率的选择,最高可达到415Mbps; 两个SPI通讯口,支持18MHz的主从控制模式;两个I2C总线接口,支持芯片间的通讯与传输;3个16位的通用定时器,每个定时器都有4路通道,每个通道有3种工作模式选择,即输入捕获模式、输出比较模式、PWM控制模式;一个16位的高级定时器专门用于电机向量驱动,其中有6个功能通道,并且能设置死区时间。此外还有常用的USB和CAN总线接口以及7个DMA通道,用于数据的自动传输[3]。基于STM32的伺服电机控制系统的系统框图如图1所示。
图1 控制系统框图
根据系统的工作原理,该控制系统可以分为PWM产生,脉冲计数,IO控制和串口通信四个部分。由于本系统采用伺服驱动器控制伺服电机,控制信号包括PWM脉冲信号,电机方向信号和伺服使能信号等,PWM脉冲信号由STM32专用的定时器产生,STM32支持PWM脉冲的频率和占空比在线调整,其预装在寄存器可以将新设定值在计数溢出后自动装载影子寄存器,同时更新周期计数器和预分频器。方向和使能信号由普通IO口产生,STM32产生的数字信号经过光耦隔离输出,一方面防止了电气干扰,同时完成电平转换,提高了IO口的驱动能力[4];
增量式脉冲编码器输出A、B、Z三路差分信号,经过光电隔离送入STM32的定时器,本系统中通过对一定时间内的产生的反馈脉冲计数,获取电机的位置和速度,完实现速度和位置的闭环控制;
IO控制模块包括输入IO和输出IO,输入输出IO经过继电器将信号送入stm32的普通IO口,输入IO主要包括电机的使能和失能,伺服激磁等信号,输出IO用作电机运行异常的报警信号,异常信号经继电器送入IO口产生中断信号,主控制器根据相应的中断信号,转入中断子程序执行;
STM32有3个USART通讯接口,支持全双工的数据交换,提供宽范围波特率的选择,可以满足此处的通信要求,采用串口与上位机通信,获取上位机的指令和运动参数,并返回滑块的运动状态。
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