CN100443293C - 一种机械压力机电子控制方法及电子凸轮控制器 - Google Patents

Abstract

一种机械压力机电子控制方法及电子凸轮控制器，采用旋转编码器作为曲轴角度/滑块行程的传感器，以嵌入式系统为核心控制器，对机械压力机的离合器/刹车进行控制、产生凸轮信号输出、对工件做加工计数、监视离合器摩擦片磨损状态。替代了原机械凸轮、机械/电子计数器、中间继电器等多个部件。由于采用了编码器和嵌入式系统，不仅去除了原先调节机械凸轮的时间，确保在不同速度下上死点停车，而且可以对离合器的摩擦片磨损状况监视，提高了机械压力机的自动化水平和安全水平。控制器包括按键显示电路、DSP主控芯片、I/O接口电路、编码器输入接口电路、编码器输出接口电路、电源电路。

Description

一种机械压力机电子控制方法及电子凸轮控制器

技术领域

本发明涉及机械压力机，特别是一种机械压力机电子控制方法及电子凸轮控制器。属机械加工及计算机自动控制领域。

背景技术

目前，缺少一种专门针对机械压力机的自动控制器，机械压力的控制生产机械化、自动化程度不高。普遍的方式是采用机械凸轮作为曲轴角度检测装置，通过PLC实现逻辑控制。这种方式的缺点是不能在滑块速度变化和摩擦片磨损时保证停在上死点，每次调整凸轮角度均需要由人工调节，无法监控气动离合器摩擦片的性能，缺少友好的人机界面，不能满足冲压生产的高效、安全的要求。

发明内容

本发明目的是克服以上不足，提供一种机械压力机电子控制方法及电子凸轮控制器，它集电子凸轮、自动停上死点修正、滑块速度监视、摩擦片寿命监视等多种功能于一体，以适合机械压力机机构动作频繁，安全性要求高，经常需要调整凸轮角度的工况要求。

本发明上述目的是这样实现的：采用旋转编码器作机械压力机的曲轴角度/滑块行程传感器，采集到的角度信息送入专用的控制器，控制器根据曲轴角度信息输出凸轮信号；根据一个固定的时间内曲轴走过的角度来计算曲轴的速度；控制器检测机床控制信号和计算得到的曲轴速度输出刹车信号控制离合器刹车使滑块停到上死点位置；控制器判断刹车时的曲轴角度/滑块行程，记录离合器的动作的次数，通过行程和实际工作次数的指标可以判断离合器的磨损状况，通过用户设置参数，当工作次数到了则停机报警，提醒用户及时更换摩擦片。控制器具有生产计数的功能。通过在曲轴一周安装一个接近开关，离合器每次到固定的角度，接近开关产生输出，输出信号接入控制器，控制器同时检测编码器和接近开关信号，对比判断连轴器打滑或断裂。

根据上述方法设计的机械压力机电子凸轮控制器，设有嵌入式计算机系统，其特征是：控制器包括按键显示电路、DSP主控芯片、I/O接口电路、编码器输入接口电路、编码器输出接口电路、电源电路，由和曲轴相连的旋转编码器采集的角度信号经过编码器输入接口电路送到DSP主控芯片，I/O接口电路采集机床的控制信号送到DSP主控芯片，DSP主控芯片包含专用的控制程序，程序发出控制信号经I/O接口电路控制机床的动作；同时编码器输出接口电路将编码器输入接口电路采集的角度信号送出给机床的其他控制设备；操作者通过按键显示电路设置参数，监控曲轴角度和行程次数信息，电源电路给控制器提供所需的电压。

DSP主控芯片的控制软件程序包括：

(1)程序初始化模块：含硬件初始化、系统软件初始化以及中断初始化；

(2)主程序模块：含FRAM读写模块、人机界面模块；

(3)1ms中断模块：用于扫描角度指示灯、数码管及按键；

(4)50us中断执行模块：含电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理模块；

(5)电源中断模块：用于备份掉电时需要保存的参数，如当前角度和当前生产计数值，程序将当前角度、当前生产计数保存进FRAM存储器。

本发明的优点：1)采用旋转编码器作为压力机的曲轴角度/滑块行程传感器，克服了由于压力机工作时较大的振动对测量的影响，同时降低了整个系统的成本。2)采用专用的控制器，集成了电子凸轮和机械计数器、机械指针功能，减少了系统的元件的数量，增强了系统的可靠性。3)针对压力机的特点设计了控制软件可确保滑块每次均可停在上死点位置，减少了人工调整的工作。同时软硬件设计充分考虑到了压力机的操作安全，即使在编码器打滑或信号异常的情况下，也可以作紧急的处理，保证安全生产。4)针对压力机特别设计的控制器在使用方便和维护成本上较机械凸轮具有优势，有利于大面积的推广。5)以嵌入式系统为核心控制器，对机械压力机的离合器/刹车进行控制、产生凸轮信号输出、对工件做加工计数、监视离合器摩擦片磨损状态。替代了原机械凸轮、机械/电子计数器、中间继电器等多个部件。由于采用了编码器和嵌入式系统，不仅去除了原先调节机械凸轮的时间，确保在不同速度下上死点停车，而且可以对离合器的摩擦片磨损状况监视，提高了机械压力机的自动化水平和安全水平。

附图说明

图1是电子凸轮控制器原理框图；

图2-1是按键显示电路；

图2-2是DSP芯片电路；

图2-3是电源电路；

图2-4是I/O接口电路；

图2-5是编码器输入接口电路和编码器输出接口电路；

图3是软件功能模块；

图4是初始化模块程序；

图5是写FRAM存储器处理；

图6是人机界面模块；

图7是掉电中断；

图8是1ms中断程序；

图9是50us定时中断程序。

具体实施方式

如图1，电子凸轮控制器由按键显示电路，DSP主控芯片，I/O接口电路，编码器输入接口电路，编码器输出接口电路，电源电路等组成。按键显示电路用于显示曲轴角度和速度、生产计数、刹车距离，报警提示等信息以及用户输入参数。编码器信号经编码器输入电路到DSP主控芯片，便于DSP芯片的程序处理，输出凸轮信号、离合器刹车信号等。机床I/O信号经I/O接口电路到DSP主控芯片同时也是凸轮信号输出的通道。电源电路给控制器提供所需的电压。其中DSP主控芯片存有控制程序，以实现对压力机的控制。

按键显示电路如图2-1，U1～U3为74HCT595串转并集成电路，将DSP芯片的SPI口送出的数据转换成数码管的段码和位码数据，控制数码管DS1～DS10的点亮和熄灭以显示曲轴角度等参数。TR1～TR10为数码管的驱动三极管。SW1～SW4为按键，通过U3上依次送出的高电平和KEY信号组合来检测有那个按键按下。D1～D32是发光二极管用于显示每11.25度一个间隔共360角度的曲轴角度。CN1是和DSP主控芯片的连接插座。主控电路由DSP主控芯片，I/O接口电路，编码器输入接口电路，编码器输出接口电路，电源电路组成。

如图2-2，DSP主控芯片为U1，芯片内存有针对机械压力机的控制程序。U2是存储器，存储凸轮角度设置以及机床相关的参数，U3为断电检测芯片，用于检测24V电源是否断电。Y1是晶振，提供DSP工作的时钟信号。

如图2-3，电源电路由U5、U6集成电路和与之相连的电阻电容以及二级管组成，提供控制器所需的5V、3.3V、1.8V的电压。

如图2-4，I/O接口电路分为输入接口和输出接口两个部分。输入接口由PC16～PC20光耦以及与之相连的电阻组成，用于采集机床上的输出信号。输出接口由U7、U8集成电路、PC1～PC12光耦和与之相连的D5～D10二极管和电阻组成，用于输出凸轮信号和离合器控制信号。

如图2-5，编码器输入接口电路由U9、PC13～PC15和相连的电阻电容组成，用于接受编码器输出的角度信号。编码器输出接口电路由U10和与之相连的电阻组成，用于输出角度信号。

软件部分实现控制算法，安全报警和工件计数等功能。参见图3，本发明数字信号处理器中软件程序由初始化模块、主程序、断电中断、1ms中断、50us中断5部分组成。程序初始化模块主要硬件初始化、系统软件初始化以及中断初始化等部分组成。主程序模块又分成FRAM读写模块、人机界面模块。1ms中断用于扫描角度指示灯、数码管及按键。50us中断执行控制处理，由电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理几个模块组成。

参见图4，初始化模块程序执行时，先进行系统初始化，主要初始化DSP的时钟锁相环、看门狗、片内外设时钟初始化等；然后，立即初始化DSP的SPIA外设，接着程序通过SPIA复位外部芯片74HCT595，刷新面板角度指示灯和数码管；接着，程序初始化DSP的输入出引脚，按照设计要求，将一些脚配置成输入口，一些配置成输出口，还有部分引脚配置成片内外设的输入输出口；随后程序初始化片内外设的中断扩展模块(PIE)和中断向量表，将中断程序入口地址映射到中断向量表，程序还在这里使能响应的中断寄存器，本发明的中断源有3个：50us周期中断、1ms周期中断、电源检测掉电中断；然后，程序初始化EPWM模块内的定时器1、2，将Timer1配置成50us周期，定时到后产生一个定时中断，同样也将Timer2配置成1ms周期中断；接着，程序初始化参数存储器FRAM与DSP的接口SPIB外设，初始化片内正交编码脉冲电路(QEP)；然后程序将初始化程序变量，如果发现FRAM存储器内部2个标志未置，则说明FRAM存储器从来没有写入数据，程序将进行恢复默认值操作。初始化完变量后，程序将初始化QEP外设的脉冲计数寄存器，并计算出当前角度。程序将初始化DSP的FLASH寄存器，同时将初始化FLASH程序复制到DSP内部RAM执行，最后程序使能全局中断寄存器，进入主程序模块。

参见图5，初始化完成后，系统进入主程序模块的写FRAM存储器处理。当用户修改了参数，并且保存修改的时候，程序将进行写FRAM存储器操作，程序先写预置的生产计数参数，再写电子凸轮参数、机床参数、报警历史记录和校验和，最后清除写FRAM存储器标志后退出。写FRAM存储器模块，采用了冗余备份方法，有效降低了参数意外出错的机会。

参见图6，程序进入人机界面模块，这里又分成角度指示灯和数码管刷新处理、状态显示处理、监视模式处理、预置生产计数模式处理、电子凸轮参数模式处理和机床参数处理等。因为有2排数码管，为了便于修改参数，在用户进入参数编辑模式的时候，被编辑的参数将闪烁显示。然后，程序进入报警处理，根据报警状态寄存器的值，查出相应报警号。接着，程序进入界面模式判断处理，如果是状态显示模式，程序调用状态显示模式程序，进入状态显示模式，否则判断是否是监视显示模式。如果是监视显示模式，程序调用监视显示模式程序，进入监视显示模式，否则判断是否是预置生产计数参数模式。如果是预置生产计数参数模式，程序调用预置生产计数参数模式程序，否则判断是否进入电子凸轮参数模式。如果是，则调用电子凸轮参数模式程序，否则判断是否是机床参数模式。如果是机床参数模式，将调用机床参数模式程序。其中电子凸轮参数模式和机床参数模式均有密码保护功能。在压机运转过程中，程序禁止用户修改参数的任何操作。

参见图7，电源检测掉电中断主要是保存一些重要数据。因为用的是增量编码器，所以关电前需要保存当前角度，此外还需要保存当前生产计数件数和掉电时是压力机否在运转。电源检测掉电中断的流程是，先备份掉电时需要保存的参数当前角度和当前生产计数值。程序将当前角度、当前生产计数保存进FRAM存储器。同样，为了降低写FRAM存储器意外出错的概率，在此处写FRAM存储器的时候，程序也采用了冗余备份的方法。最后，程序清除中断标志，退出中断，返回主程序模块。

参见图8，1ms周期中断程序主要是完成软件定时、角度指示灯、数码管以及按键的扫描等功能。1ms周期中断的流程是，程序先进入软件定时模块，这里的软件定时期主要用于键盘扫描的20ms消抖延时、数码管的闪烁延时等；然后进入显示扫描模块。这里程序依次扫描个9数码管和角度指示灯，先根据当前需要显示到哪个器件(扫描位置变量0～9对应数码管0～9，10对应刷新到角度指示灯)，进行译码，如果当前扫描到闪烁功能打开，还应该定时清除数码管的显示缓冲区，译码完成后，程序调用显示刷新子程序显示。此外，因为4个按键(F键、增键、减键、确认键)的位选信号跟数码管6、7、8或9是共用的，所以在扫描数码管6、7、8或9时，均应该去读按键输入口，判断是否有按键按下。程序读按键输入口，如果是高电平，则说明有按键按下，同时启动消抖延时定时器。如果定时器20ms后还是高电平，则说明按键有效，置该键按下标志位，如果20ms后变为低电平，则作为没有键按下处理。因为在压机运转的过程中不允许修改参数，所以这里又增加了按键失效程序，在压机运转过程中，如果参数进入编辑模式，则忽略增键、减键。如果1s后按键还继续按着，则说明长按键，置长按键标志，在程序里设计了1s、5s、10s、20s长按功能。如果没有键按下，则应该判断是否是按键松开，先判断F键按下标志是否为1，如果等于1，则说明是F键松开，置F键松开标志，同时清除相应的一些变量和标志，如果此时菜单不在编辑模式，则主菜单变量，+1，清F键松开标志；如果F键按小标志不等于1，则去判断增键按下标志是否等于1。如果增键按下标志等于1，则置增键松开标志，同时清除相应的一些变量和标志，否则去判断减键按下标志是否等于1。如果减键按下标志等于1，则置减键松开标志，同时清除相应的一些变量和标志，否则去判断确认键按下标志是否等于1。如果确认键按下标志等于1，则置确认键松开标志，同时清除相应的一些变量和标志。然后，程序对扫描位置变量增1，如果大于10，则扫描位置变量清0。最后清除中断标志位，退出1ms中断。

参见图9，50us定时中断程序主要完成电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理。电子凸轮输出，根据设置的电子凸轮参数输出凸轮信号。如果控制器检测到的角度在设置的角度范围则输出高电平，反之，输出低电平。有两种情况例外，当电子凸轮参数设置为0～0时，一直输出低电平，当设置成θ～θ(θ不等于0)时，一直输出高电平。生产计数的处理流程是，如果预置生产计数等于0，则不进行生产计数；如果预置生产计数等于1，则每经过180度后进行生产计数+1，到达预置生产计数值，不输出生产到达信号；如果预置生产计数大于1，则每经过180度后进行生产计数+1，到达预置生产计数值，输出生产到达信号。

上死点停机处理。处理流程先是根据上次停机位置，纠正下次停机输出角度。如果有报警，则先关闭系统准备好信号，同时如果报警停机标志有效，则到达停机角度时，输出刹车控制信号。如果没有报警，输出系统准备好信号，同时如果是固定角度输出停机信号，则在符合停机电平且到达设置的停机角度时，输出刹车控制信号；如果没使能固定角度输出停机信号，则在符合停机电平且到达停机角度时，输出刹车控制信号。测速处理，速度检测用以下2个公式：

其中(1)式在高速测量时，是一个比较好的方法，但在低速测量时，误差比较大；(2)式在低速检测速度时，提供了更精确的方法，但在高速测量时，误差就比较大。因此在测量速度时候，我们只要综合上2式的优点：在高速时用(1)式计算速度，在低速时用(2)式计算速度。

DSP的eQEP功能强大，在硬件设计上就提供了高速和低速检测的实现：在高速时，测速采用PCCU模块(QEP position counter)；在低速时测速采用QCAP(capture unit)模块。下面简单介绍一下是如何实现高低测速的：

a高速测速PCCU模块高速测量时，根据公式(1)，需要检测固定T时间内编码器脉冲数ΔX。PCCU模块中的QUPRD[31:0]寄存器提供了T设置，在设定时间T到达时，系统产生一个UTOUT中断，同时将当前QPOSCNT[31:0]的数值锁存到QPOSLAT[31:0]。所以：

T＝QUPRD[31:0]

ΔX＝QPOSLAT(k)-QPOSLAT(k-1)

b低速测速QCAP模块高速测量时，根据公式(2)，需要检测编码器转动固定脉冲X所需要的时间ΔT。QCAP模块中的ZCAPCTL[UPPS]提供了X设置，在CAP捕捉到X个脉冲时，QEP产生一个UPEVNT中断，同时系统将捕捉定时器QCTMR[15:0]当前值锁存到QCPRDLAT[15:0]。所以：

X＝ZCAPCTL[UPPS]

ΔX＝QCPRDLAT[15:0]

在本发明中，高速阶段，采用上述的高速测速模块，但在低速阶段，采用平均法，即计算30度到210度之间的平均速度。测速处理流程如图8，如果10ms中断到，则记录当前角度(newp)，并根据10ms前的角度(oldp)，计算出10ms内的距离(Δx)，然后计算速度speedfr＝Δx/10ms，speedfr大于100rmp，则置高速标志，否则清除高速标志。如果到达30度，则清除软件定时器，保存当前角度pos30val，如果不是30度也不是210度，则软件定时器+1，如果到达210度，则保存当前角度pos210val，计算速度speedpr＝(pos210val-pos30val)/软件定时器值ΔT。输入输出信号处理。本发明的输入信号有第二角度输入、启动运行输入、模式信号输入、生产计数清零输入、报警复位输入、编码器断线检测输入。在某个输入信号电平发生变化的时候，程序执行相应的处理。

第二角度处理。在用户设置参数使能检测第二角度检测时，如果第二角度偏移设定值，则报编码器打滑报警。第二角度检测是使用DSP芯片的eQEPxS引脚检测。在该引脚有输入信号时，DSP会将当前脉冲计数器的脉冲值锁存起来。通常该引脚连接一个接近或限位开关，用来检测曲轴已经到达一个预定位置，假设接近开关的位置固定，如果此位置和通过编码器检测到设置的相同，表示编码器未发生打滑；如果不同，表示编码器打滑或连轴器断裂。

Claims (3)

1、一种机械压力机电子控制方法，采用旋转编码器作机械压力机的曲轴角度及滑块行程传感器，采集到的角度信息送入的控制器，控制器根据曲轴角度信息输出凸轮信号，根据一个固定的时间内曲轴走过的角度来计算曲轴的速度，控制器检测机床控制信号和计算得到的曲轴速度输出刹车信号控制离合器刹车使滑块停到上死点位置，控制器判断刹车时的曲轴角度及滑块行程，记录离合器的动作的次数，通过行程和实际工作次数的指标判断离合器的磨损状况，通过用户设置参数，当工作次数到了设定值，则停机报警、提醒用户及时更换摩擦片；在曲轴一周安装一个接近开关，离合器每次到固定的角度，接近开关产生输出，输出信号接入控制器，控制器同时检测编码器和接近开关信号，对比判断连轴器打滑或断裂，其特征是在高速时，测速采用PCCU模块，在低速时测速采用QCAP模块，测速处理流程是：10ms中断到，则记录当前角度，并根据10ms前的角度计算出10ms内的距离Δx，然后计算速度speedfr＝Δx/10ms，speedfr大于100rmp，则置高速标志，否则清除高速标志。

2、根据权利要求1所述方法设计的机械压力机电子凸轮控制器，设有嵌入式计算机系统，其特征是：控制器包括按键显示电路、DSP主控芯片、I/O接口电路、编码器输入接口电路、编码器输出接口电路、电源电路，由和曲轴相连的旋转编码器采集的角度信号经过编码器输入接口电路送到DSP主控芯片，I/O接口电路采集机床的控制信号送到DSP主控芯片，DSP主控芯片包含专用的控制程序，程序发出控制信号经I/O接口电路控制机床的动作；同时编码器输出接口电路将编码器输入接口电路采集的角度信号送出给机床的其他控制设备；操作者通过按键显示电路设置参数，监控曲轴角度和行程次数信息，电源电路给控制器提供所需的电压。

3、根据权利要求2所述的机械压力机电子凸轮控制器，其特征是：DSP主控芯片的控制软件程序包括：

(1)程序初始化模块：含硬件初始化、系统软件初始化以及中断初始化；

(2)主程序模块：含FRAM读写模块、人机界面模块；

(3)1ms中断模块：用于扫描角度指示灯、数码管及按键；

(4)50us中断执行模块：含电子凸轮、生产计数、上死点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理模块；

(5)电源中断模块：用于备份掉电时需要保存的参数，如当前角度和当前生产计数值，程序将当前角度、当前生产计数保存进FRAM存储器。

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