CN112776413B - 一种伺服压力机的位置压力混合优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于伺服压力机技术领域，具体涉及到一种伺服压力机的位置压力混合优化控制方法。本发明采用速度命令切换器用于控制模式切换，速度命令切换器内部包含有第一PI调节器，将位置控制环和压力控制环的输出作为输入，速度命令切换器采用单独的控制环路，整个混合控制在一个滑块行程过程内完成，由于可快速的增加响应，达到平滑和无缝连接，切换模式平滑，压力位置响应迅速，模式切换过程中伺服压力机运行平稳无抖动。

Description

一种伺服压力机的位置压力混合优化控制方法

技术领域

本发明属于伺服压力机技术领域，具体涉及到一种伺服压力机的位置压力混合优化控制方法。

背景技术

目前伺服压力机位置控制模式和压力控制模式切换主要有两种方式，如公布号CN110757883A、名称《基于位置压力自动补偿的精确运动控制方法》的发明公开了位置和压力在同一个工艺曲线中切换的混合控制方法，该方法需要多个冲压行程周期才能完成压力设定的精确控制；如公布号CN110815928A、名称《一种伺服压力机的非线性压力位置控制装置及方法》的发明则是分别在位置和压力模式下独立控制，只有压力值超限或者位置值超限时，才会切换控制环路，如果压力不超限，整个流程只运行压力控制或者位置控制。上述的两篇发明都不能满足伺服压力机滑块在一个行程范围既能下行到工件成形位置处和回程时实现位置控制模式，又能在压力机滑块的关键保压位置实现压力控制模式，更为重要的是无法控制模式切换过程中平滑、无波动，同时保证响应速度又很快。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种伺服压力机的位置压力混合优化控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种伺服压力机的位置压力混合优化控制方法，包括位置控制环、压力控制环、速度命令切换器、速度控制环、转矩控制环、失量控制器，其中：

位置控制环：位置控制环的位置给定值为伺服压力机的工艺曲线，位置反馈值为测量的滑块位置，位置给定值减位置反馈值为位置差值，位置差值输入到位置控制环。

压力控制环：压力控制环的压力给定值为伺服压力机下死点附近的压力设定值，压力反馈值为测量的压力值，压力给定值减压力反馈值为压力差值，压力差值输入到压力控制环。

速度命令切换器：速度命令切换器的输入为位置控制环的输出或压力控制环的输出；速度命令切换器用于控制模式切换，速度命令切换器内部包含有第一PI调节器。

速度控制环：速度控制环的给定值为速度命令切换器的输出值，速度命令切换器的反馈值为伺服电机的位置传感器反馈的位置值经过微分后得到，速度控制环的给定值与速度命令切换器的反馈值之差为速度控制环的输入，速度控制环的输出为转矩控制环；速度控制环内含有第二PI调节器。

转矩控制环：转矩控制环输出为矢量控制SVPWM的输入；转矩控制环含有第三PI调节器。

失量控制器：失量控制器输出伺服电机驱动器所需PWM波，控制伺服电机运行，然后伺服电机带动滑块运动，实现伺服压力机的工艺曲线运行。

其中速度命令切换器控制包括以下步骤：

步骤一：当位置控制模式单独起作用时，速度命令切换器的输入为位置差值，速度命令切换器内部的第一PI调节器被旁路，位置差值作为速度控制环的给定值。

步骤二：当位置控制模式切换到压力控制模式时，切换后的第一个伺服电机控制周期将0作为速度命令切换器的第一PI调节器输入，将此时的压力差值作为速度命令切换器的第一PI调节器反馈值，将位置差值作为速度命令切换器的第一PI调节器初始输出值，实现模式切换；切换后的第二个伺服电机控制周期之后，速度命令切换器的第一PI调节器的调节输出的差值趋近于0，使得压力反馈值逐渐接近压力设定值，当压力差值的绝对值<ε，ε为接近0的数，说明满足伺服压力机设定值要求。

步骤三：当压力控制模式切换到位置控制模式时，切换后的第一个伺服电机控制周期将位置差值作为速度命令切换器的输入，直接切换。

作为优选方案，所述位置控制环和压力控制环均包含可变参数PI调节器，所述可变参数PI调节器的P为传统伺服压力机内的位置控制环的PI与可变系数的乘积，可变系数为伺服电机速度值除以滑块的速度值，I为固定值。

作为优选方案，所述位置控制模式切换到压力控制模式时或压力控制模式切换到位置控制模式时，保持速度控制环的输入值不变。

本发明的有益效果：

（1）整个混合控制模式在一个滑块行程过程内完成，由于速度命令切换器采用了单独的控制环路，可快速的增加响应，达到平滑和无缝连接，切换模式平滑，压力位置响应迅速，模式切换过程中伺服压力机运行平稳无抖动。

（2）在下死点处，可保持恒定准确的压力，完成工件成形过程。

（3）在合模处，实现低速接触工件，减少了碰撞，降低噪音，提高模具的使用寿命。

（4）回程过程迅速，继承了伺服压力机的优点。

附图说明

图1为本发明伺服压力机的位置和压力的混合控制框图。

图2为本实施例中伺服压力机的结构组成示意图。

图3为本实施例工艺曲线的设定图。

图4为本发明位置压力混合控制的模式切换时序流程图。

图中，1工作台，2滑块，3压力应变片，4压力检测系统，5连杆，6曲柄，7二级减速箱，8伺服电机，9位置传感器，10直线位置传感器，11伺服电机驱动器，12伺服压力机整机电控系统，13平衡缸，14曲柄位置传感器。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。

本发明是一种伺服压力机的冲压过程中压力和位置混合控制方法。在工业应用中，对成形过程中，滑块2上模接触工件前的位置处和继续下行的位置处，滑块2运行速度减缓，完成持续减速过程运行；下压过程中，保持位置和速度控制模式不变，但接近下死点处可保持压力恒定，满足工件成形的回弹力大小工艺要求，防止工件拉伸成形过程中的弹性回弹变形。本发明能做到伺服压力机滑块2在一个工艺行程过程中位置和压力同步混合控制，并且模式切换过程中伺服压力机运行平稳无抖动。

举例说明本发明方案之前，先简单介绍一下本实施例的伺服压力机的主要组成部分。本实施例的伺服压力机的组成仅是为了更清楚的介绍本发明的方案，实施例中的伺服压力机的组成对本发明没有限制作用。

如附图2所示，本实施例的伺服压力机的组成部分主要包括工作台1、滑块2、压力应变片3、压力检测系统4、连杆5、曲柄6、二级减速箱7、伺服电机8、伺服电机8的位置传感器9、直线位置传感器10、伺服电机驱动器11、伺服压力机整机电控系统12。伺服压力机整机电控系统12控制伺服电机驱动器11，伺服电机驱动器11通过电缆连接伺服电机8，伺服电机8通过联轴器与二级减速箱7刚性连接。二级减速箱7输出带动曲柄6，曲柄6再带动连杆5动作，连杆5的上下运动可实现滑块2的上下冲压。同时，安装在滑块2两侧的平衡缸13可实现平衡伺服压力机的滑块2和上模的重量，工作台1上主要是放置下模。压力应变片3作为压力检测的传感器，可通过弹性形变检测当前伺服压力机的所出力大小，并通过压力检测系统4反馈给伺服电机驱动器11。伺服电机8的位置通过位置传感器9传输给伺服电机驱动器11。曲柄6的位置通过曲柄位置传感器14传输给伺服电机驱动器11。滑块2的当前位置通过直线位置传感器10采集然后输出到伺服电机驱动器11中。

实现本发明伺服压力机的位置和压力的混合控制方法的控制框图如附图1所示，具体介绍如下：

位置控制环：位置控制环的位置给定值为伺服压力机的工艺曲线，位置反馈值为测量的滑块2位置，本实施例中采用直线位置传感器10测量滑块2位置，因此位置反馈值为直线位置传感器10测量的滑块2位置。位置给定值减位置反馈值的位置差值输入到位置控制环路。

压力控制环：压力控制环的压力给定值为伺服压力机下死点附近的压力设定值，压力反馈值为测量的压力值，本实施例采用压力应变片3测量压力值，因此压力反馈值为压力应变片3测量的压力值，测量的压力值通过压力检测系统4输出到伺服电机驱动器11中，压力给定值减压力反馈值的压力差值输入到压力控制环路。

优选的，上述位置控制环路和压力控制环路内部均包含有可变参数PI调节器，可实现位置的精确跟随。这里所述的可变参数PI调节器里P为传统伺服压力机内的位置控制环的PI与可变系数的乘积。可变系数为伺服电机速度值除以滑块2的速度值。可变系数越大，说明伺服压力机的传动机构增力放大作用较大；可变系数越小，说明伺服压力机的传动机构增力放大作用较小。I的选择则为固定值，与传统伺服压力机一样，这里不再赘述。该可变参数PI调节器可很好的解决伺服压力机非线性调节问题，起到滑块2当前位置与电机当前位置、滑块2当前压力与电机当前压力对应为线性关系的作用。

速度命令切换器的输入为位置控制环的输出或压力控制环的输出，并且速度命令切换器起到了控制模式切换的作用，速度命令切换器内部包含有第一PI调节器，可对模式的切换起到平滑作用。

速度控制环内也含有第二PI调节器。速度控制环的给定值为速度命令切换器的输出值，速度命令切换器的反馈值为伺服电机8的位置传感器9反馈的位置值经过微分后得到。速度控制环的给定值与速度命令切换器的反馈值之差为速度控制环的输入。速度控制环的输出为转矩控制环。

转矩控制环同样含有第三PI调节器，转矩控制环输出为矢量控制SVPWM的输入。失量控制器输出伺服电机驱动器11所需PWM波，控制伺服电机8运行，然后伺服电机8带动滑块2运动，实现伺服压力机的工艺曲线运行。

下面详述速度命令切换器控制流程：

假如本实施例伺服压力机用户输入的定义曲线为附图3所示的工艺曲线，在左边圆圈和右边圆圈的位置处，分别是位置控制模式和压力控制模式切换之处。在左边圆圈位置之前，滑块2处于位置控制模式；在左边圆圈位置和和右边圆圈位置之间，滑块2处于压力控制模式；在右边圆圈的位置后，滑块2切换为位置控制模式。

在控制模式切换过程中，速度命令切换器的输入包括位置控制环的位置差值或压力控制环的压力差值，二者根据情况选择其一。两个模式切换时，要求速度控制环的输入保持一致，切换后，速度控制环的输入值保持连续，才能更好平滑切换。

1）当位置控制模式单独起作用时，速度命令切换器的输入为位置差值，此时速度命令切换器内部的第一PI调节器输入不起作用，被旁路。位置差值直接作为速度控制环的给定值。

2）当位置控制模式切换到压力控制模式时，切换前的控制模式为位置控制模式，切换后的控制模式为压力控制模式。切换后的第一个伺服电机控制周期将0作为速度命令切换器的第一PI调节器输入，将此时的压力差值作为速度命令切换器的第一PI调节器反馈值，将位置差值作为速度命令切换器的第一PI调节器初始输出值。此时速度命令切换器第一PI调节器输出为位置差值，顺利无缝切换。

3）切换后的第二个伺服电机控制周期之后，由于速度命令切换器的第一PI调节器的调节作用，第一PI调节器输出的差值会越来越小，趋近于0，表明压力差值会逐渐趋近于0，压力反馈值逐渐接近压力设定值。当压力差值的绝对值<ε(某个接近于0的数时)，说明满足压力机设定值要求。

4）当压力控制模式切换到位置控制模式时，切换前的控制模式为压力控制模式，切换后的控制模式为位置控制模式。切换后的第一个伺服电机控制周期将位置差值作为速度命令切换器的输入，此时的压力差值和位置差值都几乎为0，不再使用速度命令切换器的第一PI调节器，直接切换。

上述位置差值的正负值和压力差值的正负值并不影响实现速度命令切换器的跟踪响应和识别。由于速度命令切换器采用了单独的控制环路，可快速的增加响应，达到平滑和无缝连接。

下面再通过附图4对本发明位置压力混合控制的模式切换时序流程进行说明：

如附图4所示，当伺服压力机的滑块2位置在上死点位置时，滑块2处于位置控制模式，下行过程中，提前开始减速，此时仍为位置控制模式；在接近合模位置处，滑块2继续减速直至接触工件；继续下行到达控制模式切换点时，开始切换为压力控制模式，滑块2继续下行至下死点保压后开始切换为位置控制模式，然后滑块2按照位置控制模式快速回程，完成整套伺服压力机的工艺流程。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种伺服压力机的位置压力混合优化控制方法，包括位置控制环、压力控制环、速度命令切换器、速度控制环、转矩控制环、失量控制器，其中：

位置控制环：位置控制环的位置给定值为伺服压力机的工艺曲线，位置反馈值为测量的滑块位置，位置给定值减位置反馈值为位置差值，位置差值输入到位置控制环；

压力控制环：压力控制环的压力给定值为伺服压力机下死点附近的压力设定值，压力反馈值为测量的压力值，压力给定值减压力反馈值为压力差值，压力差值输入到压力控制环；

速度命令切换器：速度命令切换器的输入为位置控制环的输出或压力控制环的输出；速度命令切换器用于控制模式切换，速度命令切换器内部包含有第一PI调节器；

速度控制环：速度控制环的给定值为速度命令切换器的输出值，速度命令切换器的反馈值为伺服电机的位置传感器反馈的位置值经过微分后得到，速度控制环的给定值与速度命令切换器的反馈值之差为速度控制环的输入，速度控制环的输出为转矩控制环；速度控制环内含有第二PI调节器；

转矩控制环：转矩控制环输出为矢量控制SVPWM的输入；转矩控制环含有第三PI调节器；

失量控制器：失量控制器输出伺服电机驱动器所需PWM波，控制伺服电机运行，然后伺服电机带动滑块运动，实现伺服压力机的工艺曲线运行；

其中速度命令切换器控制包括以下步骤：

步骤一：当位置控制模式单独起作用时，速度命令切换器的输入为位置差值，速度命令切换器内部的第一PI调节器被旁路，位置差值作为速度控制环的给定值；

步骤二：当位置控制模式切换到压力控制模式时，切换后的第一个伺服电机控制周期将0作为速度命令切换器的第一PI调节器输入，将此时的压力差值作为速度命令切换器的第一PI调节器反馈值，将位置差值作为速度命令切换器的第一PI调节器初始输出值，实现模式切换；切换后的第二个伺服电机控制周期之后，速度命令切换器的第一PI调节器的调节输出的差值趋近于0，使得压力反馈值逐渐接近压力设定值，当压力差值的绝对值<ε，ε为接近0的数，说明满足伺服压力机设定值要求；

步骤三：当压力控制模式切换到位置控制模式时，切换后的第一个伺服电机控制周期将位置差值作为速度命令切换器的输入，直接切换。

2.根据权利要求1所述的伺服压力机的位置压力混合优化控制方法，其特征在于：所述位置控制环和压力控制环均包含可变参数PI调节器，所述可变参数PI调节器的P为传统伺服压力机内的位置控制环的PI与可变系数的乘积，可变系数为伺服电机速度值除以滑块的速度值，I为固定值。

3.根据权利要求1所述的伺服压力机的位置压力混合优化控制方法，其特征在于：所述位置控制模式切换到压力控制模式时或压力控制模式切换到位置控制模式时，保持速度控制环的输入值不变。

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