金相试样磨抛机控制系统设计

1控制系统总体结构
    磨抛机控制系统的执行部件主要有l台直流伺服电机、l台低速同步电机、电磁铁和比例伺服阀。在金相试样磨抛过程中，直流伺服电机带动磨抛盘旋转，转速随磨抛试样的不同而不同。系统控制直流电机脉宽调速系统使磨抛盘的转速在0～1 500r／min间无级可调。同步电机采用专用编码器来反馈控制动力头的压力和位置。电磁铁实现压力实时释放与保持。比例伺服阀实现冷却液的适量调节。
    控制系统主要由触摸屏、PI}C、基于MSP430的直流电机PWM调速系统、速度检测电路、压力检测电路、位置检测电路、流量检测电路等组成。控制系统框图如图1所示。
    系统运行时，用户先通过触摸屏设置控制信息，PI。C则按照用户设定的磨抛参数，编码器检测到的压力、位置信号，霍尔速度传感器采集的速度信号对相应执行部件发出控制命令，使磨抛盘、动力头、比例伺服阀协调动作，完成磨抛任务。系统运行过程中，触摸屏可实时显示磨抛速度、磨抛压力等信息，并进行故障显示报警。
2 PWM直流调速系统硬件设计
2.1 PWM直流调速系统控制电气原理图
    该PWM直流调速系统的额定输出电流为10A，输出电压为O～额定值，额定励磁电压／电流为D(, 220V( 110V)，3A，调速比为1：100，软起时间设为0.5～20s（可调），静差率为1%，适用于功率为500W(1 500r／min)的直流伺服电机。电气原理图如图2所示。
    主回路连接：PWM直流调速系统的1、2输入端经熔断器与50Hz、220V单相交流电源相连；输出端7、8接直流伺服电机的电枢绕组，9、10接直流伺服电机的励磁绕组。通过控制信号改变电枢绕组的直流电压脉冲宽度，从而达到无级调速的目的。
    控制回路连接：PI．C模拟量板的输出端V()+、V()-分别与PWM直流调速系统的输入端3、4相连，输出的o～5v电压信号控制PWM直流调速系统的输出电压。当电机使用能耗制动时，使能控制端5、6闭合。
2.2数字式直流双闭环PWM调速系统原理图
    数字式直流双闭环PWM调速系统采用转速、电流双闭环控制结构，其原理图如图3所示。系统中设置有2个调节器，分别调节转速和电流，者间实现串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环是内环，按典型I型系统设计；转速环为外环，按典型II型系统设计。为获得良好的动静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行校正。检测部分中，电流环采用了霍尔片式电流检测装置( TA)进行检测，转速环采用了旋转编码器进行检测。PWM采用MSP430单片机实现，驱动电路采用IR2110集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。此外，为了使直流伺服电机有更好的控制性能，在该系统软件中设计了软起动功能、电流设置功能、限流保护功能、过流报警功能和停止输出功能等。
2-3速度检测与PI控制的实现
    磨抛盘的转速对金相试样的质量影响较大，因此要对磨抛盘转速进行PI双闭环控制，以提高速度的控制精度。首先通过触摸屏设定一个电机转速，电机按此转速旋转带动磨抛盘磨抛试样。磨抛盘转速信号经ASR后与电流信号进入ACR处理后送入基于单片机MSP430的PWM生成电路，经处理后由PI程序控制输出合适的直流电压脉冲宽度，从而调节直流电机转速，实现了磨抛盘转速的PI双闭环调节。
3控制系统软件设计
    控制系统软件设计主要包括系统主程序和各功能模块子程序的设计，其中各功能模块程序的设计主要有触摸屏界面和通信程序设计、直流伺服调速系统控制程序设计、磨抛模式程序设计、动力头控制程序设计等。直流伺服调速系统的主程序及初始化子裎序如图4、图5所示。    该磨抛机控制系统的主程序在上电复位完成系统的初始化后，与触摸屏通信，在磨抛过程中完成输入信号的循环扫描，并在输入信息处理后，输出不同的信号控制系统的各执行部件，使它们协调工作，完成金相试样的磨抛。
4触摸屏操作界面设计
    TP765-T触摸屏采用TouchWin软件进行人机界面的开发，完成后可通过计算机的RS-232C串行通信口下载到触摸屏。TouchWin软件有大量的图形库和界面编辑功能，TouchWin中的智能控件可直接访问PLC内部的继电器区，用户只要从设备库中拖放智能控件，就可以为控制系统定制操作界面。
    根据系统控制和操作要求，设计了系统主界面、磨抛参数设定界面、磨抛操作与显示界面、系统设定等人机交互界面，其中磨抛参数设定界面如图6所示，磨抛操作与显示界面如图7所示。
    系统上电后，触摸屏显示启动界面，系统密码验证正确后进入系统主界面，主界面显示当前日期和时间。在主界面中，按“进入”键进入磨抛参数设定界面。时间、压力、转速的设定可在磨抛参数设定界面中进行，也可以通过系统的密码验证在系统设定界面进行。参数设定完毕后，按“确认”按钮将跳转到磨抛操作与显示界面，按“启动”按钽系统开始自动磨抛。磨抛过程中触摸屏自动显示磨抛的实际参数、运行参数和有关部件的工作状态，出现异常情况时系统会自动报警并进入报警界面，显示故障信息。
5控制系统特点
    控制系统有以下特点：
    (1) PI)C完成各部件运动的精准协调控制，触摸屏的应用省去了传统控制方法中的开关、按钮、指示灯和仪表等，保证L『控制系统的可靠性和稳定性。
    (2)压力传感器采用旋转编码器，使丝杠螺母位移量转换为旋转编码器的脉冲数，实现了压力的适时、精准检测与控制。
    (3)采用基于单片机MSP430的PWM直流伺服调速技术对直流伺服电机进行无级调速，增强了磨抛不同材料试样的适应性。(http://www.qiegeji5.com)