程雅琳，趙興方，邱 雙

（1.山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，山東濟(jì)南 250200；2.深圳海關(guān) 工業(yè)品檢測技術(shù)中心，廣東深圳 518067；3.山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，山東濟(jì)南 250200）

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

制造設(shè)備機(jī)電一體化系統(tǒng)的硬件控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由輸入電路、輸出電路、編程器、中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器、電源組成。

圖1 系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)框圖

輸入電路和輸出電路主要用來降低外部的干擾，使運(yùn)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確輸出；編程器主要配合單片機(jī)使用，用來進(jìn)行程序的編寫和修改；中央處理器是一個控制系統(tǒng)的核心，起到總控作用；系統(tǒng)程序存儲器主要作用是存儲系統(tǒng)的運(yùn)行程序，并對程序起到一定的保護(hù)作用；一個系統(tǒng)有了電源就可以控制本系統(tǒng)的開始和結(jié)束，起到一個比較重要的起止作用。本系統(tǒng)主要利用以上硬件設(shè)備進(jìn)行制造設(shè)備機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析研究。

1.1 過流保護(hù)電路

本系統(tǒng)在硬件設(shè)計的過程中，設(shè)計了硬件保護(hù)電路，通過對電路設(shè)計過流保護(hù)的方法，防止過流對電路造成損害，實(shí)現(xiàn)對機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。通過使用IPM 內(nèi)部集成的保護(hù)電路的方法，使整個系統(tǒng)得到了3層保護(hù)，在很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。圖2為整個保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 硬件保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

文章主要采用機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的驅(qū)動芯片的內(nèi)置比較器，進(jìn)行過流保護(hù)電路的設(shè)計。選擇兩個帶寬為80000 Hz 的引腳串聯(lián)在電路中，選擇帶寬2000 Hz 的濾波器，對電源的干擾信號進(jìn)行清除處理，然后完成制造設(shè)備機(jī)電一體化的過流保護(hù)電路的設(shè)計。內(nèi)部集成的保護(hù)電路的相與相之間是各自獨(dú)立工作的，當(dāng)其中一個相發(fā)生故障時，其余各相無法得到相應(yīng)的保護(hù)。所以不僅設(shè)計了內(nèi)部集成的保護(hù)模塊，還對外圍的保護(hù)電路進(jìn)行了調(diào)整設(shè)計，提高了整個機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的可靠性。

1.2 旋變解調(diào)芯片

解調(diào)芯片能夠輸出2000～20000 Hz 的信號，將旋變解調(diào)芯片輸出的這些信號作為激勵信號提供給旋轉(zhuǎn)變壓器，旋變解調(diào)芯片的激勵信號方便了電路在難易程度上的設(shè)計，讓外圍電路不需要繼續(xù)設(shè)計激勵電路，直接就可以進(jìn)行電路工作。接口輸出的電壓為2.3～5 V，這個電壓值對于旋轉(zhuǎn)變壓器來說是較小的，所以要將這個電壓值進(jìn)行放大設(shè)計，然后再提供給旋轉(zhuǎn)變壓器，用來作為可靠的激勵源電壓值。旋變解調(diào)芯片默認(rèn)的激勵頻率為10000 Hz，可以確定什么樣的解算數(shù)據(jù)可以報告給輸出的引腳，還可以通過設(shè)置不同的引腳確定旋變解調(diào)芯片的工作模式。

1.3 機(jī)電一體化

文章硬件設(shè)計的電路主要是采用了典型的標(biāo)準(zhǔn)化電路和定時器，還有旋變解調(diào)芯片，它們一起組成了此次系統(tǒng)設(shè)計的制造設(shè)備的單片機(jī)系統(tǒng)。采用MSCH128芯片對操作面板進(jìn)行設(shè)計，這一芯片可以用來完成系統(tǒng)功能的顯示和鍵盤的輸入。鍵盤可以對同時按下的按鍵進(jìn)行自動識別保護(hù)，并給出識別編碼。由節(jié)能的LED 顯示屏進(jìn)行顯示，它的相應(yīng)功能模塊的工作是可程控的。圖3為機(jī)電一體化控制原理框圖。

圖3 機(jī)電一體化原理框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 串口發(fā)送模塊設(shè)計

串口通過發(fā)送幀字節(jié)流數(shù)據(jù)，確定給定的位置指令，根據(jù)輸入指令對制造設(shè)備機(jī)電一體化進(jìn)行輸入控制，其中發(fā)送的每一幀數(shù)據(jù)包含11個字節(jié)。

對發(fā)送模塊的寄存器進(jìn)行初始化處理，設(shè)置為發(fā)送中斷的工作方式，繼續(xù)向下執(zhí)行循環(huán)等待，等待2ms 后對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，將封裝完成的幀數(shù)據(jù)發(fā)送到移位寄存器中，全部發(fā)送完成后相應(yīng)中斷進(jìn)入到子程序中，最后完成幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.2 基于PLC的系統(tǒng)控制模塊設(shè)計

使用PCL 技術(shù)對制造設(shè)備機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將存儲器中設(shè)置的參考值與輸入到系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成當(dāng)前值進(jìn)行比較，PCL 技術(shù)對數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能可以實(shí)現(xiàn)對眾多數(shù)據(jù)的處理，而且處理效率也很高。為了準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)給定的位置指令，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行位置閉環(huán)控制，其控制公式如式（1）所示。

式（1）中，ωg為制造設(shè)備的位置轉(zhuǎn)速閉環(huán)給定量；Kpp為制造設(shè)備的位置閉環(huán)控制系數(shù)；θg為CPU 發(fā)送的給定位置量；θf為制造設(shè)備的給定位置的反饋量；Kpi為積分系數(shù)；θe為制造設(shè)備的給定位置誤差量。

采用P 控制法對轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速環(huán)控制公式如式（2）所示。

式（2）中，ig為給定的制造設(shè)備的電流環(huán)控制量；Kω為增益系數(shù)。

繼續(xù)采用P 控制法對電流環(huán)進(jìn)行給定量控制，電流環(huán)控制公式如式（3）所示。

式（3）中，Vm為制造設(shè)備的電極電壓；Ki為比例系數(shù)；ig為給定的制造設(shè)備的轉(zhuǎn)速定量；if為給定的制造設(shè)備的電機(jī)電流量R為給定的制造設(shè)備的電樞電阻。

通過對CPU 給定量的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的控制，使機(jī)電一體化控制系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)出的指令進(jìn)行快速響應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的誤差最小化。

2.3 系統(tǒng)定時器模塊設(shè)計

文章在軟件系統(tǒng)的設(shè)計中，使用時鐘頻率為90 MHz 的CPU 主頻時鐘，通過定時器確定系統(tǒng)的執(zhí)行周期和所用時間，利用定時器模塊對制造設(shè)備機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行時間進(jìn)行有效控制。對定時模塊的寄存器進(jìn)行初始化處理，工作方式設(shè)置為開中斷，繼續(xù)向下執(zhí)行循環(huán)等待，等待50msCPU 響應(yīng)中斷進(jìn)入子程序，累加時間標(biāo)志，清除中斷標(biāo)志，完成定時過程，清除中斷標(biāo)志是為了下一次事件能夠繼續(xù)正確執(zhí)行。

2.4 串口接收模塊設(shè)計

串口接收幀字節(jié)流數(shù)據(jù)，接收給定的位置信息，根據(jù)輸出的位置信息對制造設(shè)備機(jī)電一體化進(jìn)行輸出控制，其接收的每一幀數(shù)據(jù)包含8個字節(jié)，每個字節(jié)的具體數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 串口接收通信協(xié)議

對接收模塊的寄存器進(jìn)行初始化處理，設(shè)置為接收中斷的工作方式，繼續(xù)向下執(zhí)行循環(huán)等待，接收的幀數(shù)據(jù)大于8字節(jié)CPU 響應(yīng)中斷進(jìn)入到子程序中，判斷幀頭是否正確，判斷校驗(yàn)和是否正確，最后對接收的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

文章進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試的硬件設(shè)備裝置為中央處理器（CPU）、編碼器、伺服電機(jī)、開關(guān)、直流電機(jī)、終端執(zhí)行器、LED 顯示屏。其中，中央處理器作為整個系統(tǒng)運(yùn)行的核心部件，編碼器與伺服電機(jī)直接相連，編碼器可以對信號進(jìn)行輸出，還可以對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，開關(guān)主要控制電流的輸入與輸出，直流電機(jī)對電流的大小進(jìn)行實(shí)時反應(yīng)，終端執(zhí)行器執(zhí)行跟蹤命令，LED 顯示屏用來顯示最終的測試結(jié)果，方便之后系統(tǒng)的分析工作。實(shí)驗(yàn)采用Matlab 編程解微分方程與直線輪廓進(jìn)行跟蹤測試。

本次實(shí)驗(yàn)用到的介質(zhì)為清水，制造設(shè)備機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的開關(guān)電壓設(shè)置為220V，電流設(shè)置為50A，終端執(zhí)行器從直線輪廓的一端運(yùn)行到另一端的運(yùn)動速度為0.5 m/s，伺服電機(jī)的跟蹤狀態(tài)設(shè)定為低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。利用伺服電機(jī)對選取的直線輪廓進(jìn)行跟蹤，一組采用PLC 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制分析，另一組采用傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制分析。將采集到的數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，串口發(fā)送模塊發(fā)送幀字節(jié)流數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入到控制模塊對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，計時器模塊的計時器起到定時作用，最后串口接收模塊接收幀字節(jié)流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過整個系統(tǒng)的處理，最后輸出結(jié)果顯示在LED 顯示屏上面。本次測試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境較簡單，測試過程中不存在其他干擾信號，測試結(jié)果真實(shí)可信，具有參考價值。

3.2 測試結(jié)果

文章主要是對PLC 控制和傳統(tǒng)方法控制進(jìn)行系統(tǒng)的測試比較，測試結(jié)果如表2所示。

表2 控制跟蹤性能平均差與標(biāo)準(zhǔn)差

從表2可以看出，對于兩組跟蹤控制數(shù)據(jù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，都是使用文章的方法比使用傳統(tǒng)的方法更小一些，而轉(zhuǎn)矩的平均值，文章的方法比傳統(tǒng)的方法高0.07，標(biāo)準(zhǔn)差高0.08，最終得到的輪廓誤差平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，使用文章的方法都要更小一些，誤差越小說明控制精度越高，所以使用PLC 對制造設(shè)備機(jī)電一體化的伺服電機(jī)控制的精度比使用傳統(tǒng)方法的控制精度更高，高51%，使用PLC 對制造設(shè)備機(jī)電一體化的控制更接近于理想控制，控制精度更高。

4 結(jié)束語

文章分別對硬件設(shè)備和軟件程序進(jìn)行了設(shè)計，最后對設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析，使用PLC 對伺服電機(jī)進(jìn)行控制，直流電機(jī)的速度變化更準(zhǔn)確，所以使用文章的PLC 技術(shù)的方法對制造設(shè)備機(jī)電一體化的控制精度更高。文章的系統(tǒng)設(shè)計研究具有實(shí)際應(yīng)用價值，但是實(shí)驗(yàn)室的研究環(huán)境與制造設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境還有一定的不同，實(shí)際工作環(huán)境可能會出現(xiàn)其他的干擾，可以在本系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上對機(jī)電一體化加以優(yōu)化，為機(jī)電一體化提供更可靠的技術(shù)支持。