摘? 要： 介紹了一種基于數字信號處理器TMS320F2812控制的液壓注塑機伺服控制系統的控制原理、系統硬件組成和軟件設計。仿真結果表明，該系統電路簡單、工作可靠、動態響應性能和靜態性能良好，具有較高的性價比。
關鍵詞： 永磁同步電動機； 伺服控制系統； 轉子磁鏈定向的矢量控制
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液壓式注塑機在精密成型、復雜形狀制品的加工方面有許多獨特優勢，但為了保證加工精度就必須采用伺服閥，因而增加了成本。在加工的整個生產過程中，為了保證每個階段的流量和壓力，電機負載變化較大，致使油泵電機的容量比實際需要高出很多，造成電能的極大浪費。隨著變頻技術和電機制造技術的不斷發展，近年來出現了變頻節能型注塑機，其控制系統的模式為：人機界面+PLC+變頻器+三相異步電機[1]，以此達到節能的目的。但由于采用三相異步電機和通用變頻器，控制與響應都較慢，電機的加速與減速時間較長(2 s～3 s)，無法滿足快速加工的要求；同時，由于對系統中的流量和壓力沒有實現閉環控制，加工精度無法保證。由于永磁同步電動機（PMSM）采用了高能永磁體，具有結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕、低慣性、快響應、高功率因數、過載能力強、低損耗、高效率等優點，已廣泛應用于工業機器人、數控機床、柔性制造系統等各種自動化設備領域，成為高精度、微進給伺服系統的最佳執行元件之一。DSP控制器的大量使用，改善了系統性能，提高了系統性價比。為了滿足液壓注塑機快速、精密、節能的要求，本控制系統采用TMS320F2812作為主控芯片，構成“上位機+DSP+永磁同步電動機”流量與壓力雙閉環的系統模式，實現了基于DSP的液壓注塑機伺服系統的控制。
1 控制原理
對于某一型號的注塑機而言，由于油缸的活塞面積和油泵的技術參數已經確定，因此油泵的輸出流量與電機的轉速為線性關系，且油路內的壓力與電機的輸出轉矩近似正比[1]。只要根據注塑機的工藝要求，將各工序所需流量換算成轉速給定信號，各工序所需的壓力作為電機的負載，隨工作進程的變化，及時對永磁同步電動機的轉速和電流進行調節和控制，就能實現全程自動跟蹤控制，達到液壓注塑機伺服控制的目的。
永磁同步電動機的調速控制，通常采用按轉子磁鏈定向的矢量控制，只要保持is與d軸垂直，電機的轉矩方程為[2]： Td=pmΨr isq=pmΨr isd式中，pm為轉子磁極對數，Ψr為轉子磁場在定子上的耦合磁鏈，isd、isq為定子電流矢量is在d、q軸的分量；通過控制isq來控制轉矩，實現對電機轉速的控制，從而達到控制液壓注塑機油路內流量的目的。系統的控制原理圖如圖1所示。該系統采用雙閉環控制模式，即轉速環和電流環控制模式。首先，由上位機（PLC）根據注塑機的運行狀況，將該工序所需的流量以通信的方式傳送給DSP，DSP響應后，經轉換作為速度環的給定。然后與檢測到的轉子速度信號相比較，輸出控制轉矩的電流分量isqref，電流分量給定信號與經過坐標變換的電機實際電流分量相比較，通過電流調節器的PI運算，其輸出量經Park逆變換得到Vsαref、Vsβref，空間SVPWM模塊根據這2個信號計算PWM的占空比，生成PWM波,驅動逆變器，產生頻率和幅值可調的三相正弦電流輸入電機定子。驅動電機以一定的轉速運行，對注塑機所需的流量和壓力進行控制，從而實現對注塑機全程自動跟蹤，達到伺服控制的目的。
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2 系統的硬件電路與功能[2-3]
系統主要由主電路、DSP控制電路、檢測反饋與保護電路組成，其原理框圖如圖2所示。
主電路由整流器、IPM逆變器、電機組成。IPM采用三菱公司智能功率模塊PM20CSJ060，其內部有6只高速低損耗IGBT，組成三相全橋逆變電路，并且內部集成有驅動電路，并有過電壓、過電流、過熱及欠電壓等故障保護電路。當發生故障時，IPM發出信號,通過TMS320F2812的外部中斷PDPINT封鎖DSP輸出PWM脈沖，從而保護IPM免受損壞。為避免電機制動時產生過高的泵生電壓，通過直流側電壓檢測，將電壓檢測信號接入DSP的I/O口，進行過電壓的軟件保護控制，通過泄放回路將制動時的高能量泄放。
控制電路主要由上位機、TMS320F2812、輸入/輸出接口電路等組成。TMS320F2812采用高性能的靜態CMOS技術,主頻達150 MHz(時鐘周期6.67 ns)，提高了系統實時控制的能力；片內128 K×16 bit的Flash，128 K×16 bit ROM，18 K×16 bit的SARAM，1 K×16 bit 1次可編成的存儲器OTP。高效的代碼轉換功能(支持C/C ++和匯編)，流水線采樣最高速率為60 ns，12 bit A/D多達16個，PWM輸出通道多達12個，使控制系統的價格大大降低而且體積縮小、可靠性提高。
電機相電流檢測是通過電流型霍爾傳感器和電阻采樣后轉換為電壓信號，再經AC-DC變換為0～3 V的電壓信號接入DSP的A/D通道引腳。系統采用的光電編碼器為每周2 500脈沖，有20針的標準接口，提供6路脈沖信號。脈沖經QEP電路4倍頻后，用來計算轉子位置和轉速。
3 系統的軟件設計
系統軟件主要由主程序、運行控制子程序等組成，分別如圖3、圖4所示。主程序完成硬軟件初始化、故障檢測及處理、通信、運行等。硬件初始化主要完成DSP 的設置，如看門狗、時鐘、計時器、 ADC、SCI、I/O、事件管理(EV)等的設置。軟件初始化主要對軟件變量賦予初值，DSP通過SCI串口與上位機(PLC)保持通信,接收上位機傳送的命令,更新變量和標志，實現實時追蹤控制。運行控制子程序主要完成對永磁同步電動機按轉子磁鏈定向的變頻矢量控制,實現對轉速電流的雙閉環控制。
應用Matlab建立PWSM控制系統仿真模型,仿真參數設置：永磁同步電動機定子相感抗為4.8 mH，定子相電阻為2.1 Ω，額定轉矩為2.2 Nm，額定轉速為3 000 r/min，額定功率這690 W。通過對注塑機合膜階段的給定設置，仿真結果如圖5所示。從仿真曲線可以看出，電機轉速和相電流在注塑機的三級合膜階段中, 20 ms~100 ms即可達到各級所需的轉速值和電流值。表明采用高速的TMS320F2812 DSP芯片,在實現對電機的速度和電流進行矢量控制的同時,實現了對注塑機工作流量和壓力的控制，系統具有良好的動態響應性能和靜態性能，提高了系統的控制速度和精度，并使系統具有硬件簡單、過載能力強和性價比高等優點。
參考文獻
[1]?李軍生. SZ-1000A雙動模液壓注塑機的智能控制[J].?電氣傳動，2005(5).
[2]?韓安太，劉峙飛，黃海. DSP控制其原理及其在運動控制系統中的應用[M]. 北京：清華大學出版社，2003.
[3]?王曉明, 王玲. 電動機的DSP 控制——TI公司DSP應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，2004.