孫瑩，唐小琦，梁松儉

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，武漢 430074；2.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611130）

0 引 言

模內(nèi)層壓技術(shù)是集裝飾、注塑一體的新工藝新技術(shù)。為了不破壞基材的物理屬性，保證熔體維持穩(wěn)定的層流，模內(nèi)層壓成型應(yīng)采用穩(wěn)速的低壓注塑。不過(guò)，在通用注塑機(jī)上進(jìn)行低壓注塑時(shí)，存在兩個(gè)影響質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題：一是由于基材表面粗糙，低壓注塑使熔體難以迅速充滿型腔；二是通用注塑機(jī)的恒模溫控制，且模具溫度相對(duì)較低，同樣，影響熔體的流動(dòng)性。特別是大型模內(nèi)層壓注塑，這兩個(gè)問(wèn)題顯得尤為突出。本模具采用模具倒裝結(jié)構(gòu)、多級(jí)熱嘴針閥、熱流道系統(tǒng)和多回路多方式冷卻系統(tǒng)等多種新工藝、新結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)針閥注射時(shí)間進(jìn)行順序控制和模具溫度的動(dòng)態(tài)控制等，成功實(shí)現(xiàn)了大型模內(nèi)層壓注塑。本文重點(diǎn)介紹模內(nèi)層壓注塑模的動(dòng)態(tài)模溫控制系統(tǒng)。

模溫是注塑過(guò)程中重要的工藝參數(shù)，通常是指與制品接觸的模腔表面溫度。動(dòng)態(tài)變模溫控制思想是把注塑過(guò)程中的模具溫度劃分為加熱、高溫保持、冷卻和低溫保持4 個(gè)工作狀態(tài)，根據(jù)實(shí)時(shí)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)階段性的精準(zhǔn)控制。由于系統(tǒng)采用優(yōu)化的PID 控制策略，構(gòu)建了運(yùn)算和處理能力強(qiáng)的硬件平臺(tái)，使加熱過(guò)程快，溫度精確及穩(wěn)定，同時(shí)，控制系統(tǒng)還具有過(guò)程狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示，以及報(bào)警等多種功能。

1 溫度控制方式和系統(tǒng)構(gòu)成

本模具屬于大型模具，為提高加熱速度，確保熔體的流動(dòng)性，模具設(shè)計(jì)有64 路熱流道，以及龐大的加熱系統(tǒng)。由于溫度控制點(diǎn)多、且工藝要求復(fù)雜，溫度控制系統(tǒng)必須可靠性高、獨(dú)立性強(qiáng)，以及能與管理控制中心（上位機(jī)）快速實(shí)時(shí)通訊。為此，溫度控制系統(tǒng)由加熱與溫度控制電路、溫度檢測(cè)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)組成。每個(gè)模塊配合注塑機(jī)的工作進(jìn)程，協(xié)調(diào)工作。

1．1 加熱與溫度控制電路

模具加熱與溫度控制電路由加熱器電熱環(huán)、功率調(diào)壓電路和控制量傳輸電路組成，如圖1 所示。功率調(diào)壓電路為電熱環(huán)提供可變電壓，其輸出電壓的大小由可控硅觸發(fā)脈沖（移相脈沖，即PWM 波）的占空比決定，占空比越大，輸出電壓越大，系統(tǒng)加熱越快。

圖1 加熱與溫度控制電路

PWM 波由測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生，其占空比取決于上位機(jī)的控制量。且PWM 波應(yīng)與加熱電源同步，為此由外部硬件電路產(chǎn)生一個(gè)與220V 交流電源同步的過(guò)零基準(zhǔn)脈沖。測(cè)控系統(tǒng)在上位機(jī)的控制下，以過(guò)零脈沖為基準(zhǔn)，產(chǎn)生占空比受控于上位機(jī)控制量的PWM 波，由PWM＿1 端輸入，控制可控硅的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱系統(tǒng)的溫度控制，加熱系統(tǒng)的溫度控制原理如圖2 所示。

圖2 溫度控制原理圖

1．2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)

溫度檢測(cè)系統(tǒng)包括模具溫度檢測(cè)模塊、冷端補(bǔ)償溫度檢測(cè)模塊和溫度報(bào)警模塊。

1）模具溫度檢測(cè)模塊。模具溫度檢測(cè)模塊用于采集和傳輸模具當(dāng)前溫度。溫度采集選用精度高、重復(fù)性好、應(yīng)用廣泛的J 型熱電偶；信號(hào)傳輸及轉(zhuǎn)換電路由多路模擬開(kāi)關(guān)CD4607、A/D 轉(zhuǎn)換器ADS774 和74LS573 鎖存器，以及AC245 收發(fā)器構(gòu)成。溫度采集范圍：0～600℃；電路輸出信號(hào)：0～10V。

2）冷端補(bǔ)償溫度檢測(cè)模塊。在溫度控制過(guò)程中，冷端補(bǔ)償?shù)木戎苯佑绊懼?dāng)前溫度的測(cè)量精度，因此，冷端補(bǔ)償是必不可少的。冷端補(bǔ)償溫度即為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的采集，選用高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，外部供電方式。DS18B20 具有1-Wire 總線技術(shù)，節(jié)省I/O 資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3）溫度報(bào)警模塊。溫度報(bào)警電路實(shí)時(shí)檢測(cè)加熱電路的電流，產(chǎn)生過(guò)載和短路報(bào)警信號(hào)，由IN＿1 輸出，通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，反應(yīng)模具的當(dāng)前工作狀況。溫度報(bào)警電路采樣元件選用TAK12-05 精密電流互感器（如圖1 所示的T1），其外型尺寸極小，全封閉，抗電強(qiáng)度高。

1．3 溫度測(cè)控系統(tǒng)

圖3 溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

測(cè)控系統(tǒng)由上位機(jī)（帶PC/104 總線的研華PCM-3370 工控機(jī)）和下位機(jī)（CPLD 和FPGA）組成。測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，溫度測(cè)控過(guò)程為：64 路J 型熱電偶采樣模具當(dāng)前溫度，經(jīng)由CPLD 控制的多路選擇器和A/D轉(zhuǎn)換后與1 路用于冷端補(bǔ)償?shù)臄?shù)字溫度傳感器DS18B20采樣的現(xiàn)場(chǎng)溫度一起，由PC/104 總線送至上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度和冷端補(bǔ)償溫度，進(jìn)行軟件冷端補(bǔ)償計(jì)算和溫度PID 調(diào)節(jié)控制計(jì)算產(chǎn)生PWM 脈寬控制量，傳至下位機(jī)CPLD；CPLD 接收PWM 脈寬控制量，經(jīng)譯碼傳至FPGA 的雙端口RAM，同時(shí)，由CPLD 控制冷端補(bǔ)償溫度檢測(cè)、模具溫度檢測(cè)和溫度報(bào)警檢測(cè)信號(hào)的處理與傳輸，并送至上位機(jī)；FPGA 接收CPLD 的譯碼信號(hào)，依據(jù)控制量生成移相PWM 波，通過(guò)光電隔離和RC濾波電路，送至加熱電路，控制可控硅導(dǎo)通角，改變功率調(diào)壓電路的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)溫度控制。同時(shí)，利用FPGA內(nèi)部的雙端口RAM 可把各通道設(shè)定的溫度、系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)，在系統(tǒng)斷電或復(fù)位后，可以繼續(xù)運(yùn)行，由此增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1）A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)為12 位；2）PWM 基準(zhǔn)脈沖頻率為100 Hz，周期為10 ms；3）PWM 波的最大占空比為80%，PWM 每個(gè)周期的高電平最大寬度為8 ms；4）溫度控制范圍為0～600 ℃。

溫度控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)為上位機(jī)產(chǎn)生PWM 脈寬控制量傳至下位機(jī)的CPLD，CPLD 對(duì)控制量進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換（十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制），譯碼后傳至FPGA，由FPGA 生成PWM波。為此，下位機(jī)軟件主要包括CPLD軟 件 模 塊（temperature.vhd）、FPGA 軟件模塊（pwm.vhd）和 98倍 分 頻 程 序clk_98.vhd 三 部分。軟件的設(shè)計(jì)采用 Quartus Ⅱ 6.0編程軟件環(huán)境下的VHDL 語(yǔ)言和原理圖設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法完成。其中temperature.vhd 程序包括冷端補(bǔ)償溫度的檢測(cè)與溫度數(shù)據(jù)的上傳，模具溫度檢測(cè)通道與模具溫度報(bào)警通道的選通，上位機(jī)下傳的PWM 脈寬控制量的接收等，temperature.vhd 生成的原理圖如圖4 所示。pwm.vhd 程序根據(jù)接受到的PWM 脈寬控制量產(chǎn)生64 路PWM 波及輸出，pwm.vhd 生成的原理圖如圖5 所示。clk_98.vhd 程序用于晶振脈沖的98 倍分頻處理。根據(jù)溫度控制范圍、A/D 轉(zhuǎn)換器位數(shù)，以及PWM 基準(zhǔn)脈沖周期和高電平最大寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)，本設(shè)計(jì)將晶振脈沖進(jìn)行98 倍分頻，獲得周期為1.95 μs 的脈沖，使上位機(jī)輸出的數(shù)值即為分頻后脈沖的個(gè)數(shù)，使得程序更簡(jiǎn)化，clk_98.vhd 生成的原理圖如圖6 所示。

圖4 temperature.vhd 生成原理圖

圖5 pwm.vhd 生成原理圖

圖6 pwm.vhd 生成原理圖

3 溫度控制策略

為實(shí)現(xiàn)模具快速的加熱和精確穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)控制，本系統(tǒng)對(duì)控制量采用了PID 控制策略。由于注塑機(jī)械和熱熔體的快速運(yùn)動(dòng)，使各熱流道溫度之間有著強(qiáng)耦合的關(guān)系，溫度出現(xiàn)變參數(shù)、大時(shí)滯、隨機(jī)干擾等特性，為此對(duì)PID 控制算法進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下點(diǎn)：

3．1 積分分離

普通的PID 控制一開(kāi)始便進(jìn)入比例積分控制，在短時(shí)間系統(tǒng)存在較大溫度差的情況下，由于積分累積，將導(dǎo)致控制信號(hào)超過(guò)執(zhí)行器件的有效范圍，系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)，即積分飽和現(xiàn)象。為此，對(duì)PID控制策略進(jìn)行改進(jìn)，采用積分分離措施，即根據(jù)加熱體的實(shí)際情況，在積分環(huán)節(jié)設(shè)定一個(gè)積分分離誤差溫度閾值Tpi，當(dāng)溫度小于Tpi的時(shí)候只有比例環(huán)節(jié)，當(dāng)大于Tpi時(shí)，再加上積分環(huán)節(jié)。

3．2 最大控制量限制

K 值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

3．3 合理選擇比例與積分系數(shù)

比例積分系數(shù)的選擇應(yīng)全面綜合考慮加熱速度、超調(diào)狀況，以及積分分離誤差溫度閾值，首先設(shè)定全速加熱的范圍，確定一個(gè)合理的比例系數(shù)，然后，在PI 控制范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)化分段，遵循“比例作用逐漸減小、積分作用逐漸增大”的原則，詳細(xì)計(jì)算確定每段內(nèi)比例和積分系數(shù)。這樣可使系統(tǒng)隨著設(shè)定溫度的接近，盡量減小由于溫度信號(hào)干擾帶來(lái)的控制量跳動(dòng)，從而有效提高控制精度。

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用

以235℃加熱為實(shí)例，采樣周期為400 ms，積分分離溫度閾值Tpi=215 ℃，系統(tǒng)的加熱溫度與采樣點(diǎn)關(guān)系曲線如圖7 所示，加熱控制量與采樣點(diǎn)關(guān)系曲線如圖8 所示。由圖可見(jiàn)，溫度低于215 ℃時(shí)系統(tǒng)在比例控制方式下快速加溫，耗時(shí)約500 采樣周期，即200 s 左右；溫度介于215～235 ℃之間時(shí)采用PI 調(diào)解，該時(shí)段比例作用逐漸削弱，積分逐漸加強(qiáng)或保持，在約760 采樣周期后，系統(tǒng)平穩(wěn)達(dá)到設(shè)定溫度；系統(tǒng)進(jìn)入保溫狀態(tài)后在積分調(diào)解控制下，溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度值±0.5℃之內(nèi)。由室溫31 ℃加熱到設(shè)定235 ℃，總耗時(shí)約5 min。

圖7 加熱溫度曲線

圖8 加熱控制量曲線

5 結(jié) 論

模內(nèi)層壓低壓注塑模采用動(dòng)態(tài)變模溫控制方案，設(shè)計(jì)基于CPLD、FAGA 的高可靠、強(qiáng)獨(dú)立，以及能快速通訊的測(cè)控系統(tǒng)，并應(yīng)用優(yōu)化的PID 控制策略，使系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)0.1℃，控制精度達(dá)0.5℃，不僅滿足低壓注塑工藝對(duì)溫度控制的要求。而且由于注塑壓力小，熔體均勻，不用保壓，可提高生產(chǎn)效率，節(jié)省材料（5%左右），降低模具成本，延長(zhǎng)模具壽命長(zhǎng)（本模具的鎖模力僅為高壓注塑的1/3 左右）。本系統(tǒng)的控制思想在模內(nèi)層壓低壓注塑行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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