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2024年4月13日发(作者：人体内的宏量元素)
基于二次型系统最优的同步控制研究
乡碧云
【摘 要】针对塑料制件不同螺距和不同塑料材料性能的变化,研制一种用伺服电机
驱动的新型模具脱螺纹同步机构;对这种螺纹型芯由步进驱动、同步升降由伺服电
机跟随的螺纹脱模机构,由于生产工艺要求螺纹顶出与模具推板升起的距离严格同
步,因此,采用控制器组成两轴电机的运动控制系统,进行调速与位置同步的控制,用基
于二次型性能指标最佳的控制系统研究步进伺服驱动实现位置同步;系统能自动适
应制件不同螺距和不同塑料材料性能的变化,解决目前由于脱螺纹时不同步所造成
的各种质量问题.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2010(018)001
【总页数】3页(P94-96)
【关键词】二次型系统;最优控制;步进伺服;位置同步
【作 者】乡碧云
【作者单位】顺德职业技术学院,广东,佛山,528333
【正文语种】中 文
【中图分类】TH131.3
0 引言
脱模同步机构为解决塑件螺纹脱模问题,研制一种用伺服电机驱动的新型模具脱螺
纹同步机构,能自动适应制件不同螺距和不同塑料材料性能的变化,能很好地解决目
前由于脱螺纹时不同步所造成的各种质量问题。
注塑模具伺服同步自动脱螺纹机构,如图1模具脱螺纹同步机构所示。包括模架、
定模板3、推板4、动模板5、螺纹型芯25和设有螺纹的注塑件26,螺纹型芯25
和推板4分别与转动机构和升降机构传动连接。
螺纹型芯与转轴连接,并通过转轴与转动机构传动连接;转动机构包括电机和传动轴,
传动轴与电机轴通过链轮、皮带轮、蜗轮蜗杆和齿轮连接。电机为步进电机。
升降机构包括电机、链轮、皮带轮和丝杠螺母副,电机为伺服电机。其电机轴通过
链轮与丝杠传动连接,丝杠上螺母与推板连接。
通过数字控制系统对步进电机及伺服电机转速和位置控制,就能使得零件的顶出距
离与螺纹脱出距离完全同步,避免螺纹滑扣等质量问题。
1 脱模同步机构的电气连接
上述转动机构和升降机构的电机分别为步进电机和伺服电机,并通过步进驱动器和
伺服驱动器与可编程控制器电连接;步进驱动器中引入步进转动的检测传感器,检测
传感器为接近开关检测器;升降机构连接零位标志感应开关,以判别调整伺服电机与
步进电机同步运行。图3为注塑机脱模机构的控制接线原理图。[1-2]
图1 模具脱螺纹同步机构1.型腔 2.S板 3.A板 4.推板 5.B板 6.步进电机7.步进电
机固定板 8.定位环 9.唧嘴 10.型腔11.塑件 12.型芯轴 13.伺服电机 14.减速箱15.
伺服电机固定板 16.齿轮 17.丝杠 18.主轴19.轴承 20.E板 21.F板 22.链条 23.C
板24.T板 25.推杆 26.链轮
塑料模具自动脱螺纹机构设有启动准备按钮和机构停电按钮。按启动按钮后,令步
进和伺服机构进入待命状态,把当前运动数据计算处理,由注塑机顶出命令开始工作,
同步顶出零件螺纹,然后,伺服电机完成旋转之后要求退回原来的圈数,回到零位标志
使推板复位,等待下次顶出动作。
步进电机选用深圳白山公司的三相混合式BSHB3913步进电机配Q3HB64MA驱
动器,伺服电机选用日本松下的Mi-nas A4 B型驱动器配750W伺服电机,可编程
控制器为松下FP-X60Tr。
图3 注塑机脱模机构的控制接线原理图
2 两电机同步控制的策略分析[3-6]
首先,我们取得两个电机的控制关系,如图4所示。
图4 电机的控制关系图
ng为系统根据螺纹顶定出距离及所需时间为目标而设定的理想电机转速,n2为步
进电机的转速,n1为伺服电机的转速。
根据产品的工艺要求,一方面,螺纹顶出与推板升起的速度要一致,速度同步;另一方面,
螺纹顶出与推板升起的距离要一致,位移同步。而在同步机构中,我们会遇到步进与
伺服的驱动不一致性,还会遇到螺纹顶出机构与推板升降机构运动性能的不一致性。
因此,同步问题不仅仅表达为n1与n2跟随ng而实现的同步,它构成1个二次型控
制系统,如图5所示。
图5 二次型控制系统
式中,X为二维速度状态向量;u为二维控制向量;A为常系数矩阵;B为常系数矩阵。
把基于二次型性能指标最优控制系统简化为确定矩阵K的各个元素,如图6所示。
针对图6所表示的对象,方程可列为：
图6 控制对象表示图
图7 系统对象的最优控制
取正定实对称矩阵：
采用退化矩阵形式的黎卡提方程应用于最优控制的设计中,得出最优控制信号为：
以下是图6系统的最优控制示意图。
二次型最优控制规律是状态变量的线性函数,必须要反馈所有的状态变量。
我们取ū=1;n=u0=ng,X1=n1,X2=n2;nj+1=un=-K X=-X1-X2(j=1,2… 周期序数)
根据n及螺纹型芯的传动系数可计算出当前步进的控制速度;存放于DT1000寄存
器,同时也能算出本周期应执行的位移量DT1100;
根据n及升降机构的传动系数可计算出当前伺服的控制速度;存放于DT2000寄存
器,同时也能算出本周期应执行的位移量 DT2100。
3 控制系统的实施[1]
3.1 步进驱动的实施
使用梯形控制 (F171)指令对CH2脉冲输入方式的驱动器 (脉冲输入+方向切换输
入方式)。
启动指令信号R10接通后：
R10
┫┣━F1 DMV,H1100,DT100 ;控制代码
F1 DMV,K50,DT102 ;初始速度
F1 DMV,DT 1000,DT104 ;DT1000为步进控制速度
F1 DMV,K50,DT106 ;加减速时间(50ms)
F1 DMV,DT 1100,DT108 ;当前周期应执行的位移量
F1 DMV,K0,DT110 ;脉冲停止
F171 SPDH,DT100,K2 ;使用以DT100为起始位的数据表,脉冲指令从CH2发出
指令步进系统。
最后周期时,到达目标距离,则停止周期重复循环。
3.2 伺服控制的实施：
使用CH0脉冲输入方式的驱动器 (脉冲输入+方向切换输入方式)。
3.2.1 伺服使用梯形控制(F171)指令(正方向)
在步进和伺服的运动控制,我们具备同时启动的逻辑条件,令R20与R10同时启闭。
R20
┫┣━F1 DMV H1100,DT200 ;控制代码
F1 DMV K50,DT 202 ;初始速度
F1 DMV DT2000,DT 204 ;DT2000伺服控制速度
F1 DMV K150,DT206 ;加速度
F1 DMV DT2100,DT 208 ;当前周期应执行的位移量
F1 DMV K0,DT 210 ;脉冲停止
F171 SPDH DT 200,K0 ;原点复位脉冲输出指令,使用以DT200为起始位的数据表,
从CH0输出脉冲。
3.2.2 用F171的原点复位运行 (负方向时)
在伺服推动模具推板完成了升的同步运动后,推板要回原位,以备下一次开模时再推
升。因此,伺服电机退原位时,采用原点复位运行。
动作信号R21变为ON时,从指定通道CH0的CCW 输出Y1输出脉冲,开始原点
复位。原点复位速度可设为定值,不需要调节。在X4为ON时,原点复位结束。原
点复位结束后,过程值区域DT90348和DT90349被清除为“0”。
R21
┫┣━F1 DMV H1121,DT300 ;控制代码
F1 DMV K100,DT302 ;初始速度
F1 DMV K1000,DT304 ;最高速度
F1 DMV K150,DT306 ;加速度
F1 DMV K0,DT 308 ;不使用偏差计数清除输出。
F171 SPDH DT 300,K0 ;原点复位脉冲输出指令,使用以DT300为起始位的数据表,
从CH0输出脉冲。
3.3 现场调试效果
由于针对运动同步的关系作了详尽的分析,因此,在现场调试过程中,同步控制的精确
度比较高,使用现场导出实时控制的位置参数进行图表分析,我们得到较为满意的结
果。步进系统与伺服系统的位置跟踪图表如图8所示。
图8 调试数据采集图
由于模具调试的实时性很强,因此,要求系统能够在试模时能够方便地修改模具参数,
以便能提高模具的成型质量。在控制系统里,增加了用显示面板实时修改几个重要
参数的功能：(1)零件螺距LJ;(2)零件螺距长度LC;(3)零件理想收缩率Ss0;(4)零件
收缩率调整范围k。采用了同步机构的新型模具试模时,对于不同零件螺距及参数
的设定,对于现场由于收缩率的调整而自动地修正同步距离,都可以做到方便地修改,
自动地同步,受到试用客户好评。
4 结束语
基于二次型系统最优的同步控制机构,较好地解决目前由于脱螺纹时不同步所造成
的各种产品质量问题,可以适应不同螺距、及塑料工件材料,突破传统机械式脱螺纹
结构的限制,具有明显的技术先进性及较好的应用价值和市场前景。其结构简单合
理、高效率、高质量、操作方便且适用范围广。
【相关文献】
[1]松下FP系列PLC编程手册[Z].2008.
[2]Minas A4系列AC伺服驱动器技术资料 [Z],2007.
[3]R.依扎尔曼.数字调节系统 [M].王振淮,赵鉴超,译.北京：机械工业出版社,1983.
[4]绪方胜彦.现代控制工程 [M].卢伯英,于海勋,等译.北京：电子工业出版社,2003.
[5]刘 豹.现代控制理论[M].北京：机械工业出版社,2006.
[6]黄孝平,牛秦洲.线性二次型最优控制在倒立摆系统中的实现[J].计算机测量与控制,2006,14(12)：
1641-1642,1662.
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