基于工控机的多线切割机床电气控制系统设计

　　摘  要： 提出了基于工控机的多线切割机床电气控制系统设计方案，设计了基于PCI总线的I/O卡电路，包括伺服电机脉冲信号电路、张力信号处理电路、PCI总线接口电路等，设计了相应的交互操作界面和PID控制器算法，最后在SJQ-380型多线切割机上进行了实验，结果表明所设计的工控机控制系统在走线速度为600 m/min、线张力为30 N条件下，其恒张力控制性能要优于传统的PLC控制系统。

　　关键词： 多线切割机；工控机；控制系统；PCI总线

0 引言

　　多线切割是日本学者提出的一种新型加工方法，它通过金属丝的高速往复运动把磨料带入半导体加工区域进行研磨，最终把半导体切割成薄片，具有高的加工精度和效率。日本、瑞士等国都有悠远的多线切割机床制造历史，掌握着其中的核心技术。国内的研究主要是跟踪和模仿国外的成熟机型，旨在解决控制系统中切割线张力恒定问题[1-3]。

　　目前多线切割机床控制系统硬件或由PLC和伺服驱动器组合而成，或由专用运动控制器和伺服驱动器组合而成[4-5]。本文提出了采用以工控机作为主控单元，以自行开发的基于PCI总线的接口电路作为I/O卡的电气控制系统方案，较上述两种方案具有更高的控制性能和成本优势。

1 电气控制系统方案设计

　　根据多线切割机恒张力控制要求，本文采用基于工控机加PCI总线的I/O卡方案来实现传感器信号的输入和罗拉电机驱动器控制信号的输出及轮系的同步。工控机通过PCI总线转换接口芯片CH365对I/O卡上设备进行读写操作[6]。I/O卡上的外部设备将通过设计基于CPLD缓冲电路实现与CH365的本地端口连接。I/O卡总体结构框图如图1所示。

2 面向多线切割机床控制的I/O卡电路设计

　　2.1 基于PCI总线接口的I/O卡电路设计要求

　　根据多线切割机机床切割工艺要求，I/O卡电路需要提供6路伺服电机的驱动控制信号，其中驱动器的控制都采用输入符号+脉冲信号方式实现。I/O卡电路中设计有6路基于直接数字式频率合成器AD9850的脉冲信号产生电路。

　　多线切割机收放线侧的张力通过弹簧张紧机构产生，并通过力传感器来测量。力传感器所测得信号为模拟信号，为解决其传输时的干扰问题，采用基于LM331芯片的V/F变换电路将张力模拟信号转换成数字脉冲信号。

　　另外还采用由DS18B20与STC89C58组成的测温电路来监测对切割机切割工艺有影响的主轴温度、砂浆温度和环境温度等。

　　系统主控单元是由工控机来实现，它通过PCI总线接口实现对如DDS等外围设备的读写操作。

　　2.2 伺服电机脉冲信号电路

　　伺服电机脉冲信号电路如图2所示，其核心芯片是AD9850，操作AD9850过程为：计算机总线通过8位数据总线D0~D7完成40位控制数据的输入，复位信号RESET有效使数据地址指针指向第一个输入寄存器，W_CLK信号上升沿写入第一个8位数据，并指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿后，完成40位控制数据输入。FQ_UD上升沿到来，使用40位输入数据更新频率和相位控制寄存器，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，等待写一个新数据输入，QOUT信号就是所需的脉冲输出信号。

　　2.3 张力信号处理电路

　　张力信号处理电路如图3所示，其核心芯片是LM331。其工作过程为：当7脚输入端输入一正电压Vi时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，3脚输出端fo为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R10对电容C1充电。当电容C1两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，3脚输出端为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C1通过内部的复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于7脚的输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率fo与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。

　　2.4 温度测量电路

　　温度测量电路原理图如图4所示，通过对P1口扫描，完成最多8路的DS18B20温度测量。由单片机STC89C58读取的温度值暂存在片内存储器中。在CPLD中实现的数据缓冲器用来暂存由STC89C58输出的温度数据，然后被工控机通过PCI总线读入其内存。

　　2.5 PCI总线接口电路

　　PCI总线接口采用CH365专用芯片后，其复杂的总线协议要求对用户来说就变成了透明。使用CH365的驱动程序，就可以简单地通过调用I/O函数对外部设备进行读写操作。I/O卡上的外围设备主要有6路DDS电路、1路单片机控制电路、2路张力信号处理电路。这些外围设备与CH365的本地端口通过CPLD来桥接。具体的电路实现原理框图如图5所示。

　　图5中，CPLD芯片的总线端口主要有PCI总线经CH365转换后的8位数据线、16位地址线及IO端口读写控制信号等；本地端口主要有6路AD9850芯片的控制信号、2路张力传感器的脉冲信号、1路单片机数据口和地址口信号及其读写控制信号，另外还输出了6路电机驱动器所需的符号(DOUT[1-6])+脉冲信号(PULSE_OUT[1-6])，其中脉冲信号是由AD9850产生，经由CPLD内部电路处理后所得。

3 多线切割机控制系统软件设计

　　在工控机WINDOWS操作系统下利用VB语言编写多线切割机控制系统交互操作界面，实现对多线切割机的状态监控与工艺参数、内部参数设置；利用VC编写切割线恒张力的轮系同步运动控制程序，并将他们编译成动态链接库DLL由VB程序调用，实现操作界面程序与运动控制程序的交互。

　　3.1 I/O卡读写操作

　　在使用CH365专用接口芯片桥接工控机PCI总线和I/O上的外部设备后，对外部设备的读写操作就是简单地通过调用CH365驱动中的端口读写函数来实现。读写函数原型分别为：

　　BOOL WINAPI CH365mReadIoByte(ULONG  iIndex, PVOID iAddr, PUCHAR oByte);

　　//指向一个字节单元,用于保存读取的字节数据

　　BOOL WINAPI CH365mWriteIoByte(ULONG iIndex, PVOID iAddr, UCHAR iByte); //待写入的字节数据

　　根据图5中的CPLD逻辑电路设计，外围设备的地址分配如表1所示。

　　3.2 PID恒张力反馈控制算法

　　根据切割工艺要求，主罗拉的运动规律为：正向加速——正向恒速——正向减速——停止——反向加速——反向恒速——反向减速——停止，依此循环，且正向运动将比反向运动的时间稍长，使放线罗拉的线慢慢耗尽。收线和放线罗拉作为随动轮要随主罗拉运动并保持同步。实现轮系同步的控制框图如图6所示。

　　由于存在信号传输滞后以及收线罗拉直径等系统参数会发生变化等多因素，控制系统是一个非线性时变系统，直接进行数字控制器设计不易实现。PID算法采用递推式数字PID算法，通过在线整定方法来确定参数，可以取得很好的控制效果。

4 实验

　　多线切割机床控制系统在SJQ-380型多线切割机平台上进行实验，在相同的工况条件下，与以PLC为主控单元的控制系统进行比较，检验其有效性。SJQ-380型多线切割机走线速度可达500 m/min，切割线加速度为2 m/s2。本系统所设计的预期走线速度为600 m/min，线张力设定为30 N。工控机控制系统与PLC控制系统的恒张力控制性能如图7所示。从图中可以看出，当走线速度为600 m/min时，PLC控制系统对切割线恒张力的控制效果较差，其张力波动范围在±5 N以上，加工性能已不能满足工艺要求；工控机控制系统的张力波动基本保持在±2 N以内，能够满足工艺要求。

5 结论

　　本文提出了一种基于工控机的多线切割机床控制系统设计方案，采用基于PCI总线的I/O卡实现工控机与外部设备通信，在工控机WINDOWS系统下设计了控制系统软件，实现了友好的交互操作界面和PID控制器应用。所设计的系统在SJQ-380型多线切割机床上试验，结果证明其具有一定的有效性和先进性。对于切割机来说，更快的走线速度意味着更高的加工精度和效率，但也对控制系统提出了更高的要求，因此研究高速走线的控制系统非常之有必要。深入研究多线切割机控制系统模型，进而提出先进和适应的控制算法是本文今后的研究重点。

参考文献

　　[1] 靳永吉.DXQ-601型多线切割机关键技术研究[J].电子工业专用设备，2008(159)：14-17.

　　[2] 张义兵，戴瑜兴.多线切割机速度同步系统的自适应逆控制[J].控制理论与控制应用，2008，25(6)：1007-1010.

　　[3] 张义兵，戴瑜兴.多线切割机线张力控制系统设计实现[J].机械工程学报，2009，45(5)：295-300.

　　[4] 丁彭刚，王双全，庄文波，等.多线切割机电气控制设计[J].电子工业专用设备，2012(206)：31-37.

　　[5] 蒋近.太阳能硅片多线切割机张力系统控制机理研究及应用[D].长沙：湖南大学，2012.

　　[6] 徐义翔，李正明.基于接口芯片CH365的PCI数据采集系统的设计[J].微型机与应用，2004(11)：22-25.