基于DSP的金剛石壓機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種金剛石壓機(jī)的新型控制模式―基于DSP（TMS320LF2407）的嵌入式控制系統(tǒng)，并介紹了該控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。在算法上，根據(jù)工藝要求采用智能PID控制和模糊PID控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，對(duì)人造金剛石生產(chǎn)中的工藝參數(shù)加熱功率和加壓壓力實(shí)現(xiàn)有效控制，極大地提高了人造金剛石的質(zhì)量和品級(jí)。
關(guān)鍵詞：人造金剛石壓機(jī)、DSP、晶閘管、智能PID、模糊PID

0 引言

人造金剛石是一種重要的工業(yè)原材料，幾乎涉及國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。我國(guó)目前是金剛石生產(chǎn)和出口大國(guó)，產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的2/3。但是，國(guó)產(chǎn)金剛石工業(yè)產(chǎn)值卻只占世界工業(yè)產(chǎn)值的1/3，這主要是由于質(zhì)量不高所造成。生產(chǎn)人造金剛石的主要設(shè)備是壓機(jī)，從我國(guó)目前生產(chǎn)金剛石的設(shè)備來(lái)看，大部分生產(chǎn)廠家使用六面頂壓機(jī)，隨著國(guó)內(nèi)六面頂腔體的大型化和對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，與國(guó)外在技術(shù)裝備上的差距在進(jìn)一步縮小。但是，國(guó)內(nèi)在壓機(jī)的控制水平上還相當(dāng)落后，阻礙了金剛石質(zhì)量的提高。因此，提高國(guó)內(nèi)金剛石壓機(jī)的控制水平成為當(dāng)務(wù)之急。

1 金剛石的合成工藝

人造金剛石是由石墨片、觸煤片在一定的壓力、溫度條件下生成所得。目前,金剛石生產(chǎn)工藝過(guò)程中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)是壓力的臺(tái)階型變化,即在金剛石合成初期，將壓力分成幾個(gè)壓力段，并在每個(gè)臺(tái)階壓力上保持一段時(shí)間。對(duì)于溫度控制, 目前廣泛采用的恒功率控制,該技術(shù)的最大弱點(diǎn)是:當(dāng)加熱時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),石墨在催化劑中再結(jié)晶成片狀,不利于金剛石的生長(zhǎng)。對(duì)于溫度的控制，我們可以通過(guò)對(duì)加熱電壓的間接控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，且這種控制方法在實(shí)踐中也能達(dá)到很好的控制效果。

2.硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 TMS320LF2407簡(jiǎn)介

TMS320LF2407片內(nèi)集成有32k FLASH，1.5k字的數(shù)據(jù)／程序RAM，544字的雙口RAM (DARAM)和2k字的單口RAM(SARAM)；10個(gè)10位ADC外圍接口，CAN總線接口，4個(gè)通用定時(shí)器和一個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器；運(yùn)算數(shù)率高，單個(gè)指令周期執(zhí)行時(shí)間僅為33ns；工作電壓為＋3.3V，工業(yè)級(jí)溫度范圍－40～＋8C，特別適合于工業(yè)應(yīng)用。由此可以看出該DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)提高實(shí)時(shí)性、實(shí)現(xiàn)小型化和低成本提供了一個(gè)理想的解決方案。另外，壓機(jī)的控制變量和所接的外設(shè)較多。選用DSP控制器，正好利用它的實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)和集成外設(shè)豐富的優(yōu)點(diǎn)，故選用TMS320LF2407作為控制和數(shù)字化處理的核心。

根據(jù)壓機(jī)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，以TMS320LF2407為核心的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金剛石壓機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)共有9路信號(hào)輸入，依次輸入DSP的ADIN0～ADIN8接口，分別為6路位移量、1路電壓量、1路壓力量、1路電流量。其中位移、電壓、壓力三個(gè)需反饋給處理器，從而構(gòu)成3個(gè)閉環(huán)控制，電流只是用作顯示。采樣過(guò)程中，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，根據(jù)要求我們選用二階有源濾波器，截至頻率為10Hz。

在控制系統(tǒng)中溫度控制可通過(guò)控制金剛石的加熱功率來(lái)實(shí)現(xiàn)，即 P＝UI，在此我選用電壓控制方法－即控制金剛石的加熱電壓來(lái)間接控制溫度。金剛石加熱端電壓為0～6V，需進(jìn)行變壓、濾波，后轉(zhuǎn)換成0～3.3V信號(hào)輸入DSP的ADIO口，考慮到實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾較多，在此濾波電路選用二階有源濾波，截至頻率為10Hz。同時(shí)選用TIL300芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)光電隔離。

2.2 同步和觸發(fā)

壓機(jī)的溫度大小通過(guò)加熱電壓來(lái)間接控制，加熱電壓的大小通過(guò)串聯(lián)到220V工頻電路上的加熱晶閘管的導(dǎo)通角大小來(lái)嚴(yán)格控制。在此，采用數(shù)字觸發(fā)方式來(lái)觸發(fā)晶閘管的門級(jí)。所以必須使得觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽(yáng)極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。該系統(tǒng)中，由于晶閘管與工頻電串聯(lián)，所以晶閘管的陽(yáng)級(jí)的電壓就是工頻電壓，所以采用過(guò)零檢測(cè)的辦法，檢測(cè)工頻電的過(guò)零點(diǎn)，也就確定了晶閘管的陽(yáng)極電壓過(guò)零點(diǎn)。然后在此過(guò)零點(diǎn)的基礎(chǔ)上，再根據(jù)計(jì)算得出的導(dǎo)通角大小來(lái)在合適的時(shí)間輸出門級(jí)觸發(fā)脈沖。通過(guò)過(guò)零檢測(cè)電路，在每次的交流電壓過(guò)零點(diǎn)處產(chǎn)生一次脈沖，也即確定一次晶閘管陽(yáng)級(jí)電壓過(guò)零點(diǎn)，從而觸發(fā)DSP的INT1中斷。選用為50Hz工頻交流電，周期為20ms，所以10ms一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，也即10ms一次脈沖觸發(fā)INT1中斷。觸發(fā)脈沖輸出信號(hào)由DSP的IO口，經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器產(chǎn)生，通過(guò)觸發(fā)電路電路驅(qū)動(dòng)晶閘管。觸發(fā)脈沖的寬度由控制器設(shè)定，考慮到控制系統(tǒng)為感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖應(yīng)加大，在此設(shè)為1ms。

3.控制算法

3.1 加壓控制

根據(jù)工藝要求。加壓控制根據(jù)合成材料的不同分2～6段超壓、保壓，超壓到90MPa左右，再保壓幾分鐘后卸壓，完成一個(gè)工序，時(shí)間為幾分鐘到十幾分鐘?？刂七^(guò)程中，超壓采用主泵開(kāi)關(guān)控制，保壓采用副泵補(bǔ)壓模糊PID控制。

模糊控制具有控制速度快、過(guò)程參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、不受工作環(huán)境影響、魯棒性好、靈敏度高、無(wú)需精確數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)。但模糊控制的穩(wěn)態(tài)性能較差，故采用模糊－PID復(fù)合控制地方法，以提高模糊控制的精度。如下圖所示，壓力控制策略是采用多模態(tài)分段控制算法來(lái)綜合比例、模糊、比例積分控制的長(zhǎng)處、3種控制方式在系統(tǒng)工作過(guò)程中分段切換使用。在偏值大于某一閾值時(shí)，希望控制參數(shù)能快速跟蹤調(diào)整，所以采用比例控制；當(dāng)偏差減小到閾值以下時(shí)，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小超調(diào)量。這樣，就綜合了比例控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)。該方法中模糊控制的論域僅是整個(gè)論域的一部分，相當(dāng)于模糊控制的論域被壓縮，相當(dāng)于語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值增加，提高了靈敏度和控制精度。在誤差語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值為零時(shí)切換至PI控制，當(dāng)絕對(duì)誤差為零或積分飽和時(shí)，將積分器關(guān)閉。

圖2 壓力控制策略

3.2 功率控制

人造金剛石生產(chǎn)工藝要求加熱控制是在超壓達(dá)到30MPa以后開(kāi)始的，加熱控制也分加溫、保溫幾段進(jìn)行，幾分鐘或十幾分鐘后停止加熱。該系統(tǒng)中，通過(guò)控制金剛石的加熱電壓來(lái)控制加熱功率，實(shí)踐中，這也是一種很好的控制方法。為了精確控制加熱功率和溫度，加熱功率采用基于模式識(shí)別的專家智能自整定PID控制算法，如圖5所示。在輸出和給定存在偏差或系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)誤差e的時(shí)間特性進(jìn)行模式識(shí)別，分別識(shí)別出該過(guò)程響應(yīng)曲線的多個(gè)特性參數(shù)，如超調(diào)量、阻尼比、衰減振蕩周期、上升時(shí)間。所測(cè)出的各特性參數(shù)值與實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的特性參數(shù)值進(jìn)行比較，其偏差量送入專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)在線推斷出為消除各特征量的偏差，控制器參數(shù)所應(yīng)有的校正量Δkp、Δki、Δkd，將它們送入常規(guī)的PID控制器，以修正控制器各參數(shù)，輸出控制信號(hào)控制被控對(duì)象加熱電壓，使加熱電壓響應(yīng)曲線的特征參數(shù)滿足工藝要求。設(shè)計(jì)專家式自整定控制器的核心是：在系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，合理選定描述系統(tǒng)暫態(tài)誤差特性的各個(gè)特征參數(shù)，獲取特定參數(shù)的偏差量與PID控制器參數(shù)的校正量Δkp、Δki、Δkd之間的關(guān)系。被控對(duì)象特征撮弄數(shù)的選擇方法是先測(cè)試被控對(duì)象的階躍響應(yīng)，再用Cohn－Coon公式計(jì)算出特征參數(shù)K、Tp、τ。

K＝Δy/ΔR=(y2-y1)/(R2-R1); Tp=1.5(t0.632-t0.28); τ=1.5(t0.8-t0.632/3)

式中：Δy為系統(tǒng)輸出響應(yīng)；ΔR為系統(tǒng)階躍響應(yīng)；t0.28為系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線中對(duì)應(yīng)0.28Δy時(shí)的時(shí)間；t0.632為系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線中對(duì)應(yīng)0.632Δy時(shí)的時(shí)間。

圖3 加熱功率控制策略

4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)軟件主程序流程見(jiàn)圖6，采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件采用C和匯編混合編程，在TI的DSP Code Composer下編譯和調(diào)試。在控制程序中將采樣后的采樣值與設(shè)定值相比，得出誤差和誤差變化率，再根據(jù)制定好的控制規(guī)則來(lái)控制電磁閥和晶閘管的通斷，從而保證壓機(jī)能按照設(shè)定的時(shí)序要求運(yùn)行。

圖4主程序流程

4.2 中斷程序

該系統(tǒng)實(shí)際為實(shí)現(xiàn)3個(gè)信號(hào)的閉環(huán)實(shí)時(shí)控制，考慮到實(shí)時(shí)性，所用中斷較多。主要有過(guò)零檢測(cè)中斷、定時(shí)中斷、采樣中斷、鍵盤中斷。定時(shí)器2、4 中斷程序負(fù)責(zé)時(shí)間控制以便進(jìn)行相應(yīng)的壓力、電壓時(shí)序控制步驟，定時(shí)器1、3中斷程序控制兩個(gè)可控硅的控制角大小。電壓過(guò)零檢測(cè)中斷程序確定與電壓同步以便觸發(fā)，鍵盤中斷控制中斷鍵的響應(yīng)。其中，在工頻為50Hz，周期T為20ms的條件下，電壓過(guò)零檢測(cè)中斷每10ms發(fā)生一次。選用的雙向晶閘管需在每半個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)一次?？刂平铅梁陀|發(fā)時(shí)刻Tθ之間的關(guān)系為：Tθ＝ α＝0.056α 由于需要對(duì)導(dǎo)通角的精確控制，過(guò)零檢測(cè)中斷需要及時(shí)得到執(zhí)行，故該中斷優(yōu)先級(jí)為最高。

4.3 數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制

在每次信號(hào)采樣時(shí)，為消除隨機(jī)誤差，數(shù)據(jù)采用平均濾波法，其濾波公式為 ＝ 采樣次數(shù)N越大，X越接近真值。實(shí)際應(yīng)用中，為了提高實(shí)時(shí)控制速度，采用去極值平均濾波法。在此，即為連續(xù)采樣8次，去掉一個(gè)最大值和最小值，再求余下6個(gè)采樣值的平均值。

根據(jù)金剛石的生成工藝要求，壓力和電壓需保持為設(shè)定的階梯狀變化。在上升階段為加壓和加熱階段，此時(shí)只需開(kāi)啟交流泵和兩個(gè)加熱接觸器即可。在水平階段為保壓和保溫階段，此時(shí)需根據(jù)采樣時(shí)刻相應(yīng)的偏差值和偏差變化率，根據(jù)相應(yīng)的控制策略來(lái)控制。

5.結(jié)語(yǔ)

該控制系統(tǒng)具有較好的工業(yè)意義，它較PLC的金剛石壓機(jī)控制器便宜，市場(chǎng)前景更大。同時(shí)，DSP(TMX320LF2407)內(nèi)有CAN總線，便于系統(tǒng)升級(jí)，可通過(guò)CAN總線將多臺(tái)壓機(jī)與上位機(jī)構(gòu)成一網(wǎng)絡(luò)，便于控制管理。

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