一种基于单片机的电火花直流伺服控制系统

一种基于单片机的电火花直流伺服控制系统
金红;牛秦洲
【摘要】设计了一种基于单片机的电火花直流伺服系统:该系统使用印制绕组直流伺服电机,具有惯性小、响应快速的特点,利用微控制器的软件实现间隙状态和速度控制算法.该系统针对不同的加工工艺参数,由微控制器利用所存储的工艺数据库表自动调整间隙给定信号,通过间隙变化趋势的识别来修改间隙比例调节器的比例系数,获得更好的快速性,同时它的一定幅度振荡特性有利于电火花加工过程的稳定,从而实现对电火花加工伺服进给的智能控制.
【期刊名称】《桂林理工大学学报》
【年(卷),期】2008(028)001
【总页数】4页(P136-139)
【关键词】伺服系统;微控制器;控制算法;电火花加工
【作者】金红;牛秦洲
【作者单位】桂林工学院,电子与计算机系,广西,桂林,541004;桂林工学院,电子与计算机系,广西,桂林,541004
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
电火花机床利用工具电极与工件电极在液体介质中的脉冲性火花放电来对工件进行成型加工［1］。

要维持电火花机床的正常工作，必须使工件电极与工具电极之间的放电间隙维持在一个特定状态，电火花机床的伺服进给系统就是依据加工间隙状
态控制工具电极的进给运动，保证间隙状态的稳定。

由于极间放电状态的特殊性，对伺服系统提出了很高的要求:一方面要求伺服系统具有高的稳定性，同时又要求具有快速响应特性。

印制绕组电机具有惯量小、响应快的特点，由它配以高性能的伺服控制电路，可以构成性能优越的电火花直流伺服系统。

伺服系统由印制绕组伺服电机组以及相应的伺服控制电路组成。

印制绕组伺服电机是一种直流伺服电机，它具有一般直流电机的特性。

但其转子由印制电路 (铜箔与绝缘薄膜)构成，没有铁心，因此其机械时间常数和电气时间常数都非常小，由它构成的伺服系统具有快速响应特性。

整个系统由间隙状态检测与控制、电机速度测量与控制、电枢电流测量与控制等电路构成一个三闭环控制系统，由于脉宽调制 (pulse width modulation，PWM)功率变换电路及反馈回路的滤波电路时间常数非常小，经简化后的系统原理框图如图1所示［2］。

1.1 间隙状态检测与控制环
放电间隙的状态比较复杂而且是时变的，当前还难以用一个精确的数学模型进行描述，因此对控制器的精确设计也是困难的。

由于正常加工过程中必须维持放电间隙值在给定值附近一个很小的区域内，在给定值邻域内可以将其近似为线性关系。

经试验，间隙控制采用P调节器可以获得较满意的效果。

对于特定的加工工艺，其间隙状态是基本恒定的，因此间隙控制的给定信号可以认为是阶跃信号。

由于直接检测间隙状态比较困难，而间隙的状态又与间隙电压存在着一定的关联，因此当前使用较多的是通过检测放电间隙电压的方法来构成间隙状态闭环控制系统［3，4］，只要维持极间电压的正常与稳定，就可以基本维持放电加工状态的正常与稳定。

间隙电压通过取样、线性光电隔离、A/D 变换后送微控制器构成间隙电压闭环控制系统，间隙控制的输出量YJ(K)通过式 (1)实现。

式中:是调节器的比例系数;VG是给定值，VJ(K)是反馈信号。

当VJ(K)＞VG时，
YJ(K)＜0，应该向下作进给运动，反之YJ(K)＞0，向上作回退运动，当误差超过
最大允许值时则作快速进给或回退运动。

使用比例控制算法得到的是一个有静差的系统，但只要选择合适的值，就可以使伺服系统具有电火花加工所需要的响应速度，同时可将误差和振荡控制在允许的范围内。

实际上适当幅度的振荡不会影响电火花加工的正常进行，反而对提高电火花加工的稳定性有好处。

试验表明电火花伺服进给控制过程中对系统性能有影响。

为了获得较好的效果，可依据加工间隙状态变化情况对该参数进行适当修正:如果在一定时间内间隙具有变大的趋势，则使增大如
果具有减小的趋势或者振荡过强，则使否则不变。

试验发现在维持正常火花放电加工时，对于不同的加工工艺参数(脉冲电源参数)，间隙电压的检测值会有区别，因此，针对不同的加工工艺参数，由微控制器利用所存储的工艺数据库表自动调整间隙给定信号VG的值以获得较好的加工稳定性。

间隙调节器的输出YJ(K)作为速度调节器的输入信号。

1.2 电机速度与电枢电流测量与控制环
系统使用的伺服机组为印制绕组伺服电机110SN02，额定电压40 V，额定电流8 A，额定转速3000 r/min，其所配测速发电机的转速-电压特性为5 V/(kr·min-1)。

速度的测量使用机组自带的测速发电机，其控制算法使用带积分项单独限幅处理的积分分离PI算法［6］，用软件实现。

式中是常数，且是比例系数是积分系数。

在误差较大时，取消积分项，同时增大比例系数以提高响应速度，在误差较小时，加入积分项，修改比例系数提高稳定性。

Y(K)的符号控制电机的运转方向，|Y(K)|通过D/A变换成模拟电压信号输出，作为PWM电路的输入控制信号控制PWM脉冲的宽度。

电流环使用P调节器，由于在正常加工运行中电机主回路电流平均不大于5 A，因此选用取样电阻做电流测量元件，经过线性光电隔离后，作为电流反馈信号。

使用PWM控制器内部的硬件电路实现电流控制。

1.3 硬件结构
伺服控制系统以C8051F020单片机为核心构成，电路框图见图2。

C8051F020是一种高速单片机，其指令系统与MCS-51系列单片机兼容，它内部集成了A/D和D/A变换器。

图中P1.0、P1.1为电机方向控制信号，测速电机的
速度信号经滤波与幅度变换后，送至控制器内部的A/D输入口，间隙电压经隔离、滤波与幅度调整后送至控制器内部的A/D输入端口。

输出控制信号经控制器内部
的D/A变换后送到外部PWM控制电路。

PWM使用硬件电路实现，工作频率为20 kHz左右，其输出脉冲宽度正比于输入控制电压值，其输出的PWM信号经过光电隔离后作为主回路的驱动信号。

主回路使用桥式PWM电路(主回路电路图略)。

控制程序包括系统初始化、故障检测与处理、速度测量、速度控制算法、间隙测量、间隙控制、间隙变化趋势判断、通信等功能模块，主程序流程如图3所示。

其中
速度测量、间隙电压检测主要是读取A/D变换后的数据，进行滤波和标度变换处理，速度测量周期5 ms，间隙测量周期10 ms。

间隙控制使用式 (1)实现，速度
控制使用式(2)实现。

间隙变化趋势识别只在正常加工时进行。

利用式(1)计算EJ(K)，在一个识别周期内记录短路(间隙过小)次数NS。

为短路允许最小值:如果则NS+1。

记录开路次数NK:如果则NK+ 1。

同时在该识别周期内依据ΔE的值，识别间隙变化趋势，将间隙变化分为3类:间隙变小ED、间隙维持正常E0、间隙变大EI。

其识别方法为:
如果
如果
若
式中:ND、N0、NI分别为间隙变小、维护正常、变大的记录次数。

修正原则是:如果经常短路或者间隙在不断变小，则减小KPJ;如果不经常短路并且间隙有变大的
趋势或者经常处于开路状态，则增大KPJ;如果间隙基本维持恒定、不短路且不开
路则维持KPJ。

具体实现方法是取N=max{NI，N0，ND}。

如果
如果(N=NI)∩(NS＜100)∪(NK≥100)成立，则
如果(N=N0)∩(NS＜50)∩(NK＜50)成立，则值不变。

由于间隙检测周期为10 ms，每3 s作为一个识别周期对KPJ进行一次修正。

篇幅所限，该部分流程图略。

程序使用汇编语言编写，经测试整个程序的执行周期小于5 ms。

试验设备用DM5440改装，将原来的电液伺服系统改为直流电动伺服系统，经过两级齿型同步带，带动滚动丝杠，控制工具电极在Z轴方向作伺服进给运动，脉冲电源使用程控脉冲电源，光栅及数显表监测Z轴的伺服进给运动，利用示波器观察加工间隙的脉冲电压波形。

间隙电压的示波观测图如图4所示。

图4a是刚开始时的波形，加工过程频繁出现短路和开路波形。

采用KPJ在线实时修正的适应控制技术后，经过较短一段时间适应，间隙波形变为图4b，系统趋于稳定，同时Z轴数显表显示出幅度很小的振荡。

实际上，对于电火花加工，如果存在一定幅度的振荡，对加工产物的排出有利，也有利于提高加工的稳定性。

采用在线实时修正比例控制系数和依据加工工艺参数修正间隙给定值的方法，印制绕组直流伺服电机构成的直流伺服系统可以满足电火花加工伺服进给控制的要求。

如果间隙检测电路能直接测量每个放电脉冲的波形并据此进行控制，预计其效果会更好。

【相关文献】
［1〛蒋存波，牛秦洲.电火花技术在成形磨削中的应用［J］.桂林工学院学报，2002，22(4):401-405.
［2］陈伯时.电力拖动自动控制系统 (第2版)［M］.北京:机械工业出版社，2005:48-99.
［3］张桂香，信世强，傅水根，等.电火花磨削伺服控制的研究［J］.电加工与模具，2002(2):28-30.
［4］连岑，唐一平，卢秉恒.电火花加工间隙状态的鉴别与检测方法［J］.电加工与模具，
2000(2):10-13.
［5］张强，宋博岩，施平.电火花加工主轴伺服系统的发展［J］.电加工与模具，2006(4):13-17. ［6］潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术［M］.北京:电子工业出版社，2003:277-300. ［7］任伟，郑险峰，姜立新，等.电渣炉电极调节系统的模糊自适应PID控制［J］.冶金自动化，2006(1):15-18.
［8］张春良，陈子辰，梅德庆.直线电机伺服进给系统及其关键技术问题［J］.组合机床与自动化加工技术，2001 (11):37-40.
［9］刘贤兴，朱宁.电力拖动与控制［M］.北京:机械工业出版社，2001.
［10］潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.。