孫 穎， 王 健

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

近年來(lái)造紙工業(yè)在我國(guó)有了很大的發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。這就對(duì)切紙工具分切機(jī)提出了更高的要求，目前，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的分切機(jī)水平與一些國(guó)際的知名品牌仍存在著較大的差距，還停留在中下游水平上。分切機(jī)雖說(shuō)對(duì)國(guó)內(nèi)外控制原器件運(yùn)用已非常普及，價(jià)格也較低廉，但國(guó)內(nèi)分切機(jī)廠家在使用時(shí)，對(duì)分切精度和送紙速度的控制上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是在控制系統(tǒng)上，分切機(jī)的結(jié)構(gòu)和紙張缺乏有機(jī)的結(jié)合，在這個(gè)層面上講，國(guó)產(chǎn)分切機(jī)絕大多數(shù)還停留在粗線條上，還沒(méi)有更深入領(lǐng)會(huì)分切機(jī)控制系統(tǒng)的嚴(yán)密性和合理性。國(guó)內(nèi)分切機(jī)分切長(zhǎng)度可以控制到2 000 mm以上，精度為0.6 mm。與此同時(shí)，人們對(duì)分切機(jī)的高自動(dòng)化、人性化及高的安全可靠性等要求也越來(lái)越高，伴隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛和深入，同時(shí)將微電子技術(shù)、新傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、新工藝技術(shù)、新材料技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)應(yīng)用迅速滲透到分切機(jī)領(lǐng)域，這反映出我國(guó)現(xiàn)代紙張行業(yè)向高科技水平發(fā)展[1]。

1 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器建模設(shè)計(jì)

根據(jù)切紙長(zhǎng)度工藝的要求及實(shí)際生產(chǎn)情況，以及來(lái)自控制系統(tǒng)本身和外部的擾動(dòng)信號(hào)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整相關(guān)參數(shù)并建立數(shù)學(xué)模型。通過(guò)仿真驗(yàn)證確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法適于本系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)，該方法可以有效地抑制系統(tǒng)存在的各種不確定性因素，在大慣量、變負(fù)載，干擾因素大的條件下，可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)快、超調(diào)量小、精度高[2]。分切長(zhǎng)度達(dá)到2 300 mm，精度達(dá)到0.3 mm，最大裁切頻率為400刀/m in，由于控制方式的選擇可能會(huì)影響到分切的速度和精度，因此，采用現(xiàn)在先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式。該輸入量為送紙機(jī)的送紙速度，切紙機(jī)的切紙速度固定，通過(guò)編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，輸出量是經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后的速度送給送紙輥[3]。

設(shè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程為:

式中:u[k]——系統(tǒng)輸入;

x[k]——系統(tǒng)狀態(tài);

y[k]——系統(tǒng)輸出;

f，h——未知非線性函數(shù)。

對(duì)上式系統(tǒng)，可以采用以下兩種狀態(tài)——輸出辨識(shí)模型表示:

式中:x1[k]——辨識(shí)模型狀態(tài);

y1[k]——辨識(shí)模型輸出;

fm，hm——靜態(tài)非線性函數(shù)。

可作為一類非線性系統(tǒng)的辨識(shí)模型。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用DSP實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，采用的DSP型號(hào)為TM S320LF2407A。該DSP芯片設(shè)計(jì)了使用比較器的比較值和定時(shí)器周期寄存器的周期值實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生PWM波。比較值產(chǎn)生PWM波的脈寬，周期值產(chǎn)生PWM波的頻率，再經(jīng)過(guò)外圍電路控制直流伺服電機(jī)[4]。其控制流程如下:使用DSP的控制軟件編寫程序，程序通過(guò) DSPTMS320LF2407A芯片發(fā)出PWM波。PWM波經(jīng)過(guò)控制電路傳送到編碼器中，再由編碼器控制直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)直流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，把檢測(cè)到的電機(jī)運(yùn)行速度值送到TMS320LF2407A芯片中，保證了直流伺服電機(jī)的安全運(yùn)行[5]。

整個(gè)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為:

式中:U——電樞端電壓;

￠——每極磁通量;

I—— 電樞電流;

R——電樞電路總電阻;

K——電機(jī)參數(shù)。

由直流電機(jī)的控制原理知，絕大多數(shù)直流電機(jī)是采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的。電機(jī)電樞電壓的控制是通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)進(jìn)行的，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。PWM波是一種脈寬可調(diào)的脈沖波，用于直流電機(jī)的電壓控制。PWM波是一種脈寬可控制，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電機(jī)電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。定額調(diào)寬是一種最常見(jiàn)的脈寬調(diào)制方式，它只調(diào)整脈沖寬度，使脈沖波的頻率(或周期)保持不變[6]。PWM 的調(diào)壓調(diào)速原理如圖2所示。

圖2 DSP對(duì)直流伺服系統(tǒng)控制圖

圖中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管MOSFET的柵極輸入高電平時(shí)，直流伺服電機(jī)電樞繞組兩端有電壓U s，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通;t1秒后，開(kāi)關(guān)管截止，柵極輸入變?yōu)榈碗娖剑姍C(jī)電樞兩端電壓為0;t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，對(duì)應(yīng)輸入的電平高低，電機(jī)電樞繞組兩端電壓波形見(jiàn)圖2。電機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值U0為:

式中:a——占空比，a=t1/T，表示了一個(gè)周期T里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，0＜a＜1。

由式(6)可知，當(dāng)電源電壓U s不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比a的大小，改變a值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速目的。

3 相關(guān)電路分析

3.1 PWM觸發(fā)電路

TMS320LF2407A具有兩個(gè)事件管理器(EV)模塊:EVA和EVB。這兩個(gè)事件管理器(EV)模塊在功能和結(jié)構(gòu)上完全相同。這兩個(gè)事件管理器(EV)模塊中分別有6個(gè)PWM輸出引腳。控制直流伺服電機(jī)可以通過(guò)這6個(gè)特定的PWM輸出引腳[7]。

3.2 功率驅(qū)動(dòng)電路

通過(guò)6個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET原件構(gòu)成MOSFET全橋電路，上橋通過(guò)3個(gè)P溝道MOSFET構(gòu)成，加負(fù)電壓時(shí)，門極G導(dǎo)通。下橋通過(guò)3個(gè)N溝道MOSFET構(gòu)成，加正電壓時(shí)，門極G導(dǎo)通。

3.3 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)與轉(zhuǎn)速檢測(cè)

用增量式光電編碼器作為本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，作為閉環(huán)控制的反饋量，用于測(cè)量電機(jī)輸出的角位移和轉(zhuǎn)速。TM S320LF2407A提供了與這種編碼器的接口電路。

3.4 保護(hù)電路和電流檢測(cè)

在主回路中常規(guī)的電流傳感器通過(guò)串接一個(gè)反饋電阻R代替，檢測(cè)得到反饋電阻的電壓值U，線電流測(cè)量值經(jīng)過(guò)計(jì)算間接得到，采用這種方式是由于直流伺服電機(jī)的三相繞組在運(yùn)行中任何時(shí)刻只有兩相通電，且為同一電流。R可完成限流、電流檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)的功能。一路經(jīng)增益放大、RC濾波后送電壓比較器;另一路作為電流反饋值，經(jīng)過(guò)增益放大、RC濾波、限幅后送入TMS320LF2407A的ADC模塊。電壓比較器的輸出送入LF2407A的PDPINTA引腳，電壓比較器的參考電壓為過(guò)電流設(shè)定值，當(dāng)電樞電流超過(guò)設(shè)定值，電壓比較器輸出為低電平，PDPINTA引腳為低電平，所有PWM為高阻態(tài)，DSP內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù);通知DSP有異常情況發(fā)生，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，在中斷處理程序中，通過(guò)相關(guān)I/O口狀態(tài)對(duì)故障進(jìn)行判斷[8]。

3.5 基于組態(tài)軟件構(gòu)建控制平臺(tái)

PC機(jī)上的應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，用戶可方便地通過(guò)操作面板進(jìn)行設(shè)置和修改控制參數(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地顯示故障信息。并且把所有的切紙信息、故障記錄存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便用戶日后的查詢。實(shí)現(xiàn)PC與控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)的交換。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用DSP控制伺服電機(jī)可以保證分切機(jī)的切割精度，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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