1、引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，汽車已經(jīng)做完新興代步工具進入千家萬戶。而作為汽車必不可少的輪胎也必然成為有車一族的消費品，因其多種應(yīng)用具有廣闊的市場前景。這種需求拉動了我國輪胎，橡膠行業(yè)。致使國際、國內(nèi)的輪胎制造商紛紛登陸中國投資建廠，擴大生產(chǎn)規(guī)模，滿足不斷增長的輪胎需求。輪胎生產(chǎn)中最重要的一個環(huán)節(jié)就是輪胎的成型，各國的輪胎成型機制造商無不絞盡腦汁研究，開發(fā)高效，精確，快捷的輪胎成型設(shè)備。近年來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材料技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，伺服技術(shù)已迎來了新的發(fā)展機遇，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)的步進伺服、直流伺服發(fā)展到以永磁同步電機、感應(yīng)電機為伺服電機的新一代交流伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)是自動控制系統(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控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和精確性，機、電、液的組合成為目前工業(yè)自動化的主要技術(shù)基礎(chǔ)。伺服控制系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(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械位移（或轉(zhuǎn)角）準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，對信號進行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、速度及位置都能靈活方便的控制。

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

2、輪胎成型機介紹

輪胎成型機設(shè)備整套系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、伺服控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(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尺寸，經(jīng)過貼合，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)備的傳動要求速度快，位置的定位準確，同時，主鼓在轉(zhuǎn)動時，要求其輔助設(shè)備能夠同步供料。因此，這些設(shè)備的傳動采用伺服電機。在供料架的輔助傳動，裁斷等傳動上有相關(guān)普通電機需要控制。各個機架還有很多開關(guān)點，傳感器點。還有一些氣動單元需要控制。另外，一臺高效的成型機要能夠制造不同尺寸，不同規(guī)格的胎，即在人機界面上，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程調(diào)試，監(jiān)控等。因此，設(shè)計一臺高效，結(jié)構(gòu)簡捷，安裝調(diào)試簡單，控制既集中又分散的控制系統(tǒng)是自動控制廠商不斷追求的目標。

在輪胎成型機中有眾多的氣動元件，變頻器需要控制，為了減少復(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變頻器，自動化閥島，多點傳感器單元，采集多個編碼器數(shù)據(jù)。這種設(shè)計由于省掉了大量的模擬量，高速計數(shù)模板，而使價格有了相當?shù)母偁幜?，也使安裝節(jié)省了大量的電纜鋪設(shè)。可靠性大大提高。目前，帶CAN總線的編碼器使數(shù)據(jù)的傳輸再也不用擔心干擾對其的影響。

圖1 輪胎成型機外形圖

3、伺服控制原理

圖2 伺服控制原理圖

3.1運動控制卡

運動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機，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崿F(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計數(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，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點可用于語限位、原點開關(guān)等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中需要精確定位、定長的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過計算機方便地調(diào)用。

運動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機驅(qū)動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號，進而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器既要與運動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。

如果你的運動控制卡時比較好的卡，伺服刷新率可以達到要求，可以把編碼器反饋直接接到運動控制卡，形成一個整體的閉環(huán)。若對對精度有很高的要求可以用雙閉環(huán)，運動控制卡就是根據(jù)要求x-y平臺運行的位置，控制電機運動到準確的位置。

3.2PC總線

現(xiàn)有的放開式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案主要采用PC機和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方法，PC機作為上位機實現(xiàn)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信，人機交互等功能，數(shù)控系統(tǒng)作為下位機將上位機輸入的運行參數(shù)經(jīng)過處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行，同時將檢測系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機實現(xiàn)實時監(jiān)控，各個模塊之間協(xié)調(diào)工作互不干擾，給系統(tǒng)升級帶來了方便。

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

3.3驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達。目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項數(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)計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

伺服驅(qū)動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)，目前是傳動技術(shù)的高端。編碼器（encoder）是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。

驅(qū)動器是一個驅(qū)動放大元件，只是把上位機（如運動控制卡）發(fā)來的一些信號進行放大，以致使電機可以運轉(zhuǎn)起來。MAC系列運動控制卡是基于總線的電機運動控制卡。采用專用控制芯片為核心器件，輸入輸出信號均為光電隔離，可與各種類型的步進電機驅(qū)動器連接，驅(qū)動步進電機，構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)。可與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責人機界面的管理和其它管理工作；而控制卡負責運動控制方面的所有細節(jié)。用戶通過我們提供的動態(tài)鏈接庫可方便快速的開發(fā)出自己需要的運動控制功能。圖2為伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖

圖3 伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖

4、伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器,被控對象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測環(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與系統(tǒng)的反饋信號進行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計算機或PID控制電路,其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作。

3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

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

4、被控對象

機械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。

5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(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)計的伺服控制系統(tǒng)性能優(yōu)越保證了繞線的運動平穩(wěn)性及準確性。在運行效果上完全可以和進口伺服系統(tǒng)媲美，在性價比上具有較高的優(yōu)越性。此輪胎成型機充分結(jié)合了伺服的響應(yīng)快、定位精確、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。經(jīng)過客戶的試用，成型出來的輪胎都符合客戶要求，各項指標都達到要求，同時還提高了生產(chǎn)效率，使客戶達到最大滿意度。此設(shè)備向客戶充分展示了伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時也提高了成型機設(shè)備在市場上的競爭力。

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