基于DSP的金剛石壓機智能控制系統設計

摘要：本文提出了一種金剛石壓機的新型控制模式―基于DSP（TMS320LF2407）的嵌入式控制系統，并介紹了該控制系統的軟硬件設計。在算法上，根據工藝要求采用智能PID控制和模糊PID控制策略代替傳統的PID控制，對人造金剛石生產(chǎn)中的工藝參數加熱功率和加壓壓力實(shí)現有效控制，極大地提高了人造金剛石的質(zhì)量和品級。
關(guān)鍵詞：人造金剛石壓機、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，幾乎涉及國計民生的各個(gè)領(lǐng)域。我國目前是金剛石生產(chǎn)和出口大國，產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的2/3。但是，國產(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備是壓機，從我國目前生產(chǎn)金剛石的設備來(lái)看，大部分生產(chǎn)廠(chǎng)家使用六面頂壓機，隨著(zhù)國內六面頂腔體的大型化和對這一技術(shù)的發(fā)展應用，與國外在技術(shù)裝備上的差距在進(jìn)一步縮小。但是，國內在壓機的控制水平上還相當落后，阻礙了金剛石質(zhì)量的提高。因此，提高國內金剛石壓機的控制水平成為當務(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)節是壓力的臺階型變化,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)臺階壓力上保持一段時(shí)間。對于溫度控制, 目前廣泛采用的恒功率控制,該技術(shù)的最大弱點(diǎn)是:當加熱時(shí)間足夠長(cháng)時(shí),石墨在催化劑中再結晶成片狀,不利于金剛石的生長(cháng)。對于溫度的控制，我們可以通過(guò)對加熱電壓的間接控制來(lái)實(shí)現，且這種控制方法在實(shí)踐中也能達到很好的控制效果。

2.硬件設計方案

2.1 TMS320LF2407簡(jiǎn)介

TMS320LF2407片內集成有32k FLASH，1.5k字的數據／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(xiàn)接口，4個(gè)通用定時(shí)器和一個(gè)看門(mén)狗計時(shí)器；運算數率高，單個(gè)指令周期執行時(shí)間僅為33ns；工作電壓為＋3.3V，工業(yè)級溫度范圍－40～＋8C，特別適合于工業(yè)應用。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功能集于一身，為控制系統提高實(shí)時(shí)性、實(shí)現小型化和低成本提供了一個(gè)理想的解決方案。另外，壓機的控制變量和所接的外設較多。選用DSP控制器，正好利用它的實(shí)時(shí)控制能力強和集成外設豐富的優(yōu)點(diǎn)，故選用TMS320LF2407作為控制和數字化處理的核心。

根據壓機所需要實(shí)現的功能，以TMS320LF2407為核心的系統硬件結構如圖1所示。

圖1 金剛石壓機控制系統原理圖

2.1 數據采集

該系統共有9路信號輸入，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，需對信號進(jìn)行濾波，根據要求我們選用二階有源濾波器，截至頻率為10Hz。

在控制系統中溫度控制可通過(guò)控制金剛石的加熱功率來(lái)實(shí)現，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，后轉換成0～3.3V信號輸入DSP的ADIO口，考慮到實(shí)際工業(yè)現場(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)現光電隔離。

2.2 同步和觸發(fā)

壓機的溫度大小通過(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通角大小來(lái)嚴格控制。在此，采用數字觸發(fā)方式來(lái)觸發(fā)晶閘管的門(mén)級。所以必須使得觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽(yáng)極電壓保持嚴格的相位關(guān)系。該系統中，由于晶閘管與工頻電串聯(lián)，所以晶閘管的陽(yáng)級的電壓就是工頻電壓，所以采用過(guò)零檢測的辦法，檢測工頻電的過(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)的基礎上，再根據計算得出的導通角大小來(lái)在合適的時(shí)間輸出門(mén)級觸發(fā)脈沖。通過(guò)過(guò)零檢測電路，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)脈沖輸出信號由DSP的IO口，經(jīng)數據鎖存器產(chǎn)生，通過(guò)觸發(fā)電路電路驅動(dòng)晶閘管。觸發(fā)脈沖的寬度由控制器設定，考慮到控制系統為感性負載，觸發(fā)脈沖應加大，在此設為1ms。

3.控制算法

3.1 加壓控制

根據工藝要求。加壓控制根據合成材料的不同分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，保壓采用副泵補壓模糊PID控制。

模糊控制具有控制速度快、過(guò)程參數變化適應性強、可靠性高、不受工作環(huán)境影響、魯棒性好、靈敏度高、無(wú)需精確數學(xué)模型等特點(diǎn)。但模糊控制的穩態(tài)性能較差，故采用模糊－PID復合控制地方法，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(cháng)處、3種控制方式在系統工作過(guò)程中分段切換使用。在偏值大于某一閾值時(shí)，希望控制參數能快速跟蹤調整，所以采用比例控制；當偏差減小到閾值以下時(shí)，切換轉入模糊控制，提高系統的阻尼性能，減小超調量。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，相當于模糊控制的論域被壓縮，相當于語(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，當絕對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別的專(zhuān)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受到擾動(dòng)時(shí)對系統誤差e的時(shí)間特性進(jìn)行模式識別，分別識別出該過(guò)程響應曲線(xiàn)的多個(gè)特性參數，如超調量、阻尼比、衰減振蕩周期、上升時(shí)間。所測出的各特性參數值與實(shí)現設定好的特性參數值進(jìn)行比較，其偏差量送入專(zhuān)家系統，專(zhuān)家系統在線(xiàn)推斷出為消除各特征量的偏差，控制器參數所應有的校正量Δkp、Δki、Δkd，將它們送入常規的PID控制器，以修正控制器各參數，輸出控制信號控制被控對象加熱電壓，使加熱電壓響應曲線(xiàn)的特征參數滿(mǎn)足工藝要求。設計專(zhuān)家式自整定控制器的核心是：在系統閉環(huán)運行時(shí)，合理選定描述系統暫態(tài)誤差特性的各個(gè)特征參數，獲取特定參數的偏差量與PID控制器參數的校正量Δkp、Δki、Δkd之間的關(guān)系。被控對象特征撮弄數的選擇方法是先測試被控對象的階躍響應，再用Cohn－Coon公式計算出特征參數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為系統輸出響應；ΔR為系統階躍響應；t0.28為系統輸出響應曲線(xiàn)中對應0.28Δy時(shí)的時(shí)間；t0.632為系統輸出響應曲線(xiàn)中對應0.632Δy時(shí)的時(shí)間。

圖3 加熱功率控制策略

4.系統的軟件設計

4.1 系統主程序

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

圖4主程序流程

4.2 中斷程序

該系統實(shí)際為實(shí)現3個(gè)信號的閉環(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)零檢測中斷、定時(shí)中斷、采樣中斷、鍵盤(pán)中斷。定時(shí)器2、4 中斷程序負責時(shí)間控制以便進(jìn)行相應的壓力、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)零檢測中斷程序確定與電壓同步以便觸發(fā)，鍵盤(pán)中斷控制中斷鍵的響應。其中，在工頻為50Hz，周期T為20ms的條件下，電壓過(guò)零檢測中斷每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 由于需要對導通角的精確控制，過(guò)零檢測中斷需要及時(shí)得到執行，故該中斷優(yōu)先級為最高。

4.3 數據采集和閉環(huán)控制

在每次信號采樣時(shí)，為消除隨機誤差，數據采用平均濾波法，其濾波公式為 ＝ 采樣次數N越大，X越接近真值。實(shí)際應用中，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。

根據金剛石的生成工藝要求，壓力和電壓需保持為設定的階梯狀變化。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)需根據采樣時(shí)刻相應的偏差值和偏差變化率，根據相應的控制策略來(lái)控制。

5.結語(yǔ)

該控制系統具有較好的工業(yè)意義，它較PLC的金剛石壓機控制器便宜，市場(chǎng)前景更大。同時(shí)，DSP(TMX320LF2407)內有CAN總線(xiàn)，便于系統升級，可通過(guò)CAN總線(xiàn)將多臺壓機與上位機構成一網(wǎng)絡(luò )，便于控制管理。

參考文獻：

1.劉和平.TMS320LF240x DSP結構、原理及應用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社2002
2.朱凌云. 人造金剛石合成工藝的智能控制.[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置.2005.6
3.方漢學(xué)、趙芳.TMS320LF2407在天然氣發(fā)動(dòng)機控制的應用.[J].微計算機信息（測控自動(dòng)化）2005.21.4
4.Texas Instrument . TMS320/C24x DSP Controllers Reference Guide [Z].1999
5.周車(chē)晨, 趙國權. 金剛石合成工藝. 北京:機械工業(yè)出版社,1998