1、引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，汽車已經(jīng)做完新興代步工具進(jìn)入千家萬(wàn)戶。而作為汽車必不可少的輪胎也必然成為有車一族的消費(fèi)品，因其多種應(yīng)用具有廣闊的市場(chǎng)前景。這種需求拉動(dòng)了我國(guó)輪胎，橡膠行業(yè)。致使國(guó)際、國(guó)內(nèi)的輪胎制造商紛紛登陸中國(guó)投資建廠，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，滿足不斷增長(zhǎng)的輪胎需求。輪胎生產(chǎn)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是輪胎的成型，各國(guó)的輪胎成型機(jī)制造商無(wú)不絞盡腦汁研究，開(kāi)發(fā)高效，精確，快捷的輪胎成型設(shè)備。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材料技術(shù)的快速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，伺服技術(shù)已迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)的步進(jìn)伺服、直流伺服發(fā)展到以永磁同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)為伺服電機(jī)的新一代交流伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣直接決定與影響著自動(dòng)控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和精確性，機(jī)、電、液的組合成為目前工業(yè)自動(dòng)化的主要技術(shù)基礎(chǔ)。伺服控制系統(tǒng)用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒(méi)有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是按照控制命令要求，對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、速度及位置都能靈活方便的控制。

由于伺服電機(jī)響應(yīng)快，速度高，并且定位精度高的特點(diǎn)，現(xiàn)在成型機(jī)普遍選用這一類電機(jī)作為送布電機(jī)和小車板控制電機(jī)。隨著成型機(jī)市場(chǎng)對(duì)成型機(jī)精度和成型機(jī)速度的不斷追求，UV平板成型機(jī)將逐漸被推向市場(chǎng)。隨著UV平板成型機(jī)的發(fā)展，配套的伺服電機(jī)也將升級(jí)換代。在中高端的成型機(jī)市場(chǎng)上將以交流伺服電機(jī)系統(tǒng)為主。所以很多廣告客戶最終選擇成型機(jī)。為迎合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，部分生產(chǎn)廠家開(kāi)始在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)生產(chǎn)自主品牌的成型機(jī)。

2、輪胎成型機(jī)介紹

輪胎成型機(jī)設(shè)備整套系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、伺服控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。輪胎的成型就是根據(jù)輪胎尺寸要求，把掛膠的簾布和帶子裁斷成一定長(zhǎng)尺寸，經(jīng)過(guò)貼合，擠壓形成胎坯。因此，根據(jù)成型工藝的要求，設(shè)備一般包含胎體貼合鼓，帶束層鼓，成型鼓，內(nèi)圈傳遞環(huán)，外圈傳遞環(huán)，帶束層供料架，簾布供料架，冠帶層供料架，復(fù)合膠。這些設(shè)備的傳動(dòng)要求速度快，位置的定位準(zhǔn)確，同時(shí)，主鼓在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，要求其輔助設(shè)備能夠同步供料。因此，這些設(shè)備的傳動(dòng)采用伺服電機(jī)。在供料架的輔助傳動(dòng)，裁斷等傳動(dòng)上有相關(guān)普通電機(jī)需要控制。各個(gè)機(jī)架還有很多開(kāi)關(guān)點(diǎn)，傳感器點(diǎn)。還有一些氣動(dòng)單元需要控制。另外，一臺(tái)高效的成型機(jī)要能夠制造不同尺寸，不同規(guī)格的胎，即在人機(jī)界面上，可以調(diào)用各種生產(chǎn)工藝，執(zhí)行各種生產(chǎn)工藝，顯示，記錄生產(chǎn)狀況。有的廠家還要求能夠遠(yuǎn)程調(diào)試，監(jiān)控等。因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，控制既集中又分散的控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制廠商不斷追求的目標(biāo)。

在輪胎成型機(jī)中有眾多的氣動(dòng)元件，變頻器需要控制，為了減少?gòu)?fù)雜的安裝，我們采用了CAN總線通訊技術(shù)，即一條電纜控制多臺(tái)變頻器，自動(dòng)化閥島，多點(diǎn)傳感器單元，采集多個(gè)編碼器數(shù)據(jù)。這種設(shè)計(jì)由于省掉了大量的模擬量，高速計(jì)數(shù)模板，而使價(jià)格有了相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力，也使安裝節(jié)省了大量的電纜鋪設(shè)?？煽啃源蟠筇岣?。目前，帶CAN總線的編碼器使數(shù)據(jù)的傳輸再也不用擔(dān)心干擾對(duì)其的影響。

圖1 輪胎成型機(jī)外形圖

3、伺服控制原理

圖2 伺服控制原理圖

3.1運(yùn)動(dòng)控制卡

運(yùn)動(dòng)控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機(jī)，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)可用于語(yǔ)限位、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中需要精確定位、定長(zhǎng)的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機(jī)控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過(guò)計(jì)算機(jī)方便地調(diào)用。

運(yùn)動(dòng)控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)接受伺服電機(jī)編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號(hào)，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動(dòng)器既要與運(yùn)動(dòng)控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。

如果你的運(yùn)動(dòng)控制卡時(shí)比較好的卡，伺服刷新率可以達(dá)到要求，可以把編碼器反饋直接接到運(yùn)動(dòng)控制卡，形成一個(gè)整體的閉環(huán)。若對(duì)對(duì)精度有很高的要求可以用雙閉環(huán)，運(yùn)動(dòng)控制卡就是根據(jù)要求x-y平臺(tái)運(yùn)行的位置，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到準(zhǔn)確的位置。

3.2PC總線

現(xiàn)有的放開(kāi)式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案主要采用PC機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方法，PC機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信，人機(jī)交互等功能，數(shù)控系統(tǒng)作為下位機(jī)將上位機(jī)輸入的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)過(guò)處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行，同時(shí)將檢測(cè)系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，各個(gè)模塊之間協(xié)調(diào)工作互不干擾，給系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)了方便。

放開(kāi)式系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制器的核心是DSP，它具有運(yùn)算速度快，支持復(fù)雜運(yùn)動(dòng)算法的特點(diǎn)，可以滿足高精度運(yùn)動(dòng)控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動(dòng)態(tài)控制卡越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，將多軸動(dòng)態(tài)控制卡插在PC機(jī)擴(kuò)展槽上，就可以組成高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，位置反饋信號(hào)的采集、閉環(huán)控制計(jì)算及控制量的輸出均由動(dòng)態(tài)控制卡完成，極大的提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機(jī)的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算中解決出來(lái)，從而可以更好的實(shí)施整個(gè)控制系統(tǒng)的管理。

3.3驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)。目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

伺服驅(qū)動(dòng)器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端。編碼器（encoder）是將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。

驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大元件，只是把上位機(jī)（如運(yùn)動(dòng)控制卡）發(fā)來(lái)的一些信號(hào)進(jìn)行放大，以致使電機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。MAC系列運(yùn)動(dòng)控制卡是基于總線的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡。采用專用控制芯片為核心器件，輸入輸出信號(hào)均為光電隔離，可與各種類型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)。可與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面的管理和其它管理工作；而控制卡負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制方面的所有細(xì)節(jié)。用戶通過(guò)我們提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可方便快速的開(kāi)發(fā)出自己需要的運(yùn)動(dòng)控制功能。圖2為伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

4、伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),類型繁多,但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器,被控對(duì)象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測(cè)環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié)等五部分。

1、比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié),通常由專門(mén)的電路或計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路,其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號(hào)的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓,氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。

4、被控對(duì)象

機(jī)械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對(duì)象。

5、檢測(cè)環(huán)節(jié)

檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

5、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)性能優(yōu)越保證了繞線的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及準(zhǔn)確性。在運(yùn)行效果上完全可以和進(jìn)口伺服系統(tǒng)媲美，在性價(jià)比上具有較高的優(yōu)越性。此輪胎成型機(jī)充分結(jié)合了伺服的響應(yīng)快、定位精確、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)客戶的試用，成型出來(lái)的輪胎都符合客戶要求，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到要求，同時(shí)還提高了生產(chǎn)效率，使客戶達(dá)到最大滿意度。此設(shè)備向客戶充分展示了伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也提高了成型機(jī)設(shè)備在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

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