一种压力机电路控制系统设计
摘要：控制系统是伺服机械压力机不可缺少的重要组成部分，如何更好地设计、制造和调试整个系统，确定其最佳参数，保证伺服机械压力具有很好的工作性能。在研究现有先进控制方法的基础上，本文对伺服压力机控制系统的设计 ，选用了“工控机+ARM核心板+扩展板”的设计方案。针对双点伺服压力机的同步控制，提出多种同步控制策略，通过对比最终选定交叉耦合同步控制策略，并引入了非线性PID用于完成伺服系统的控制。
关键词：压力机 ; 控制系统 ; 伺服控制
Abstracts：Control system is an important part of servo mechanical press，How to better the design, manufacture and debug the whole system, determine the best parameters, guarantee the servo mechanical pressure have good working performance. Based on the study of the existing advanced control method,in this paper,the design of the control system of servo press,choose the”industrial PC + ARM core board + extended board”design scheme,Some synchronous control strategies are put forward for the synchronous control of Double-point servo press．Through comparing the advantages and disadvantages of various control strategies，cross—coupled control strategy is selected in the end．And the nonlinear PID controller is adopted to control the servo system.An industrial personal computer(IPC)is introduced as the master and all embedded motion controller as the slave．
Keywords：Servo Press ; Control System ; Servo control
目录
第一章 绪言......................................................................................................................................3
1.1课题研究背景及意义........................................................................................................3
1.2 国内外压力机的研究和发展...........................................................................................4
1.3 伺服压力机控制系统简介...............................................................................................6
1.4 本课题研究内容和目的...................................................................................................8
第二章 伺服压力机控制方法的研究..............................................................................................8
2.1伺服压力机同步控制方法..........................................................................................................8
2.1.1多电机同步控制策略.................................................................................................8
2.1.2多电机同步控制仿真研究.........................................................................................10
2.2 伺服系统的非线性PID控制.....................................................................................................12
2.2.1非线性PID控制器的设计原理...............................................................................12
2.2.2非线性PID控制器的仿真实验...............................................................................13
第三章 伺服压力机控制系统硬件设计...........................................................................................13
3.1控制系统总体方案.......................................................................................................................14
3.2嵌入式微控制器及相关组件的选择...................................................................................14
3.2.1系统需求分析..............................................................................................................14
3.2.2微控制器芯片选择......................................................................................................15
3.2.3微控制器芯片简介......................................................................................................15
3.3ARM核心处理模块................................................................................................................15
3.3.1ARM核心板介绍.....................................................................................................16
3.3.2控制单元接口规划..................................................................................................16
3.4扩展板硬件电路设计.............................................................................................................17
3.4.1位置检测电路................................................................................................................17
3.4.2数/模转换电路设计.......................................................................................................19
3.4.3通信模块设计................................................................................................................20
3.4.4开关量输入输出电路设计............................................................................................21
3.5硬件电路调试.......................................................................................................................23
3.5.1DAC模块调试................................................................................................................23
3.5.2位置检测模块调试........................................................................................................23
第四章 伺服压力机控制系统软件设计与实验...............................................................................24
4.1软件总体设计...........................................................................................................................24
4.1.1 软件开发环境简介.........................................................................................................24
4.1.2软件结构设计..................................................................................................................24
4.2 主程序设计................................................................................................................................25
4.2.1控制程序设计............................................................................................................26
4.2.2通信程序设计............................................................................................................27
4.2.3显示子程序................................................................................................................28
第五章 结论与展望...........................................................................................................................33
致 谢...............................................................................................................................................34
参 考 文 献.......................................................................................................................................35
第一章 绪言
1.1课题研究背景及意义
本课题为伺服压力机的研究与应用，研究目的是利用伺服电机驱动的伺服控制系统取代传统电机驱动的机械传动系统，简化传动链，能够通过伺服系统自动控制调节，根据加工工艺柔性化地加工零件，提高了压力机的生产效率、加工精度、加工质量，扩大了压力机的使用范围，促进了压力机行业发展和加工成形领域的发展，取得了经济社会效益。本文主要研究伺服压力机的伺服控制系统。
目前，全球机械领域的发展处于根本性的变革时期，其中以制造业的发展变革最为迅速。加工制造业是整个国民经济的基础，更是工业发展的根本保证！它的研究程度直接影响到工业水平的提高和国民经济的整体发展速度。其中锻压成形机械是加工制造领域的重要装备之一，它同时还是电子产品、航空运输、精密仪表灯行业中最为重要的工艺制造加工装备之一。
现代科学技术发展的速度日新月异，机械产品市场的竞争形势更是十分激烈，各种机械电子产品正在向高精尖方向和柔性化制造方向发展。这样就对制造加工这些产品的设备提出了更为严格的要求，在满足高质量、高加工精度、高效率的同时，还要具有很好的适应市场和客户需求的能力，机械加工制造设备要具有很多种方案加工模式，以满足客户对产品需求的多样性、灵活性和产品制造过程的柔化性。传统的以机械传动为主的压力机虽然合适具有大批量生产的能力，但很好的适应市场的发展需求。
按照能量的传递方式来分，压力机分为以机械传动为主的机械压力机和以液压传动为主的液压驱动压力机。机械压力机主要以机械传动进行能量转换，传递过程清晰可见，同时由于制造技术成熟，制造周期短、操作方便、价格便宜等优点，在机械加工行业应用最广，占据了中小企业的绝大部分市场。但由于机械压力机滑块行程一经设定很难改变，很难灵活控制冲动压力，最严重的弊端是滑动运动特性单一，在不改变机械结构的前提下很难改变运动规律，对加工工艺的柔性制造能力差。如果对加工工艺进行适当调整，就必须改变压力机滑块机械传动过程和运动特性，也就意味着要重新设计机械结构尺寸，需要上重新设计压力机，灵活性差，花费的代价较高，浪费了大量的人力物力。所以，传统机械压力机只能适用于产品批量大、工艺简单、结构尺寸固定的产品生产。
在一些对加工工艺要求较高的场合，产品形状结构复杂的场合，以及难成型零件加工场合，则需使用液压式压力机或具有特殊功能的机械压力机。在一些重要加工领域使用的多为高性能的液压机，液压式压力机的液压系统是通过液压元件伺服驱动技术来控制调节的。与传统机械式压力机的机械传动相比，液压传动系统有许多优点，主要包括机械加工过程平缓，滑块行程和冲头压力可调。不过，同时存在大量缺点，主要包括能量消耗过大，机械加工效率低。液压系统在伺服调速时就消耗了大量的能量，造成生产能力下降。系统控制元件过多，使液压能过多地变为热能使液压油温度升高，同时也改变了液压油的稳定性和质量及使用寿命，液压系统温升过高需要水来进行冷却，液压油的温升和污染对液压伺服系统的控制元件会造成腐蚀，影响较大，同时，由于液压伺服控制元件较多，液压控制系统过于复杂，出现故障的频率较高，液压系统机构庞大，占地空间较大，液压油容易泄露，对环境造成污染等。
主要任务：
1．设计一套实用、稳定、高可靠性、低成本压力机用电路控制系统。
2．确定压力机的控制功能和电路控制系统的总体方案，完成基于嵌入式系统的硬件电路系统设计，电路图的绘制工作；
3．确定电路控制系统软件功能，编写程序；
4．完成软硬件系统调试工作，分析数据。
主要技术指标要求：
1．实现压力机控制信号的采集、处理和液晶显示等功能；
2．液晶显示控制精度为1°；
3．显示内容包括：飞轮角速度、角度设定值、飞轮当前状态值等；
4．能实现实时角度的记忆，掉电后可保存；
5．有运动实时监测报警功能。
主要任务：
1．设计一套实用、稳定、高可靠性、低成本压力机用电路控制系统。
2．确定压力机的控制功能和电路控制系统的总体方案，完成基于嵌入式系统的硬件电路系统设计，电路图的绘制工作；
3．确定电路控制系统软件功能，编写程序；
4．完成软硬件系统调试工作，分析数据。
主要技术指标要求：
1．实现压力机控制信号的采集、处理和液晶显示等功能；
2．液晶显示控制精度为1°；
3．显示内容包括：飞轮角速度、角度设定值、飞轮当前状态值等；
4．能实现实时角度的记忆，掉电后可保存；
5．有运动实时监测报警功能。
参 考 文 献
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