機電控制系統自動控制技術與一體化設計探究

夏春龍

（江蘇省南通市海安中等專業學校，江蘇 南通 226600）

0 引言

伴隨工業制造業的高速發展，機電控制系統的應用范圍逐步擴大，對于機電控制系統的要求也更高。為切實滿足行業的發展需求，需要相關設計人員對機電控制系統進行智能化設計，由此也就衍生出了自動化控制技術與一體化設計，有了該項技術的加持，企業生產的效率得到大幅度提升，同時也降低了人員的工作量，有效避免了人為操作實物所帶來的損失，提高現場生產的安全系數。本文就機電控制系統自動控制技術與一體化設計方法及具體操作策略進行分析探討。

1 機電一體化設計方法

1.1 整體設計法

系統中的每個部件都由對用的控制單元加以控制，以此讓功能模塊的使用更加便捷。應用整體可以讓產品的設計效率大幅度提升，既是對原有設計觀念的突破，也賦予了機電一體化設計全新的發展方向，一方面是有效壓縮產品生產成本，同時也能進一步提高產品質量，使其與市場需求相契合，擴大產品的發展空間。

1.2 組合設計法

在機電一體化設計中，組合設計是應用最為廣泛的設計方式。尤其是應用與數控機床領域，組合設計法的應用讓數控機床作用得到最大化呈現。將各種標準相對獨立的功能模塊進行重新組合，使各個模塊協調統一聯合構成全新的一體化系統。組合法與其他設計法相比，最為顯著的優勢在于由多功能模塊構成，所以只需要在原本設計的基礎上進行即可，因此設計的耗時也相對較短。在組合設計法的應用中，為了獲得最優化的產品質量，在增加產品價值的同時要盡可能降低生產成本，需要對市場進行深度調研，根據市場反饋信息了解行業發展趨勢，并應用多種組合方式靈活開展設計工作，有效規避不同功能模塊發生矛盾的現象，確保系統運行的穩定性，以此來實現機電產品的創新化設計。

1.3 取代設計法

此應用應用電子電位器取代機械電位器，對于線路的運行實現實時控制，這是傳統機械線路所不具備的作用。因此采用取代法設計電子線路，不僅效率更高，也能使產品造價進一步降低，從而達到機電一體化設計的目標。

2 機電控制系統自動控制技術一體化設計方式分析

2.1 設計原理與關鍵技術

機電控制作為一項綜合控制系統，是應用信息處理以及微電子等新型技術手段，對運行系統實現遠程控制。自動化控制技術依托控制器，使系統可以按照設定程序對被控對象進行自動化管理與實時監控。將機電控制系統與自動控制技術進行一體化設計，對設備實現自動化形式檢測與控制運行，促使機械設備的生產效率取得大幅度提升。因此在系統設計工作中，一方面要對控制器與核心器件進行設計，另一方面要兼顧到檢測器與執行器的統籌設計。在控制系統運行階段，系統辨識輸入信號，經過控制器這一媒介轉化為指令信號，執行器在接受信號后投入執行，從而實現數字的信號輸出與顯示，完成自動化控制的過程。檢測裝置檢測到的輸出信號，與指令信號進行比較，傳送到控制裝置中執行下一程序的操作，進而達到反饋控制的目的。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 單片機控制芯片

對控制系統的設計，需要首選單片機控制芯片，因為其具備仿真功能、信息存儲量大等優勢。I/O端口、控制程序、數據存儲器CPU、中央處理單元、串口等都是單片控制芯片的組成部分，該芯片在實際連接過程中需要對應用總線進行統一，這樣不僅無須對硬件做出改動，還可以減少資源所占內存，通過在串口就可以直接實現單片機的通信仿真。因為單片機控制芯片存在突出的應用優勢，所以也同時提高了系統的穩定性與可靠性。

2.2.2 傳感器

傳感器數據檢測、制定系統決策、執行系統操作三者之間具有緊密銜接性，所以在選擇傳感器時要高度謹慎。比如機電控制系統中最常用液位傳感器與壓力傳感器，當將系統電壓設置在24V時，可以實現MODBUS標準通信。如果將液位傳感器應用到機電控制系統中，當系統中液罐高度達到2 m，采用CYW11傳感器，因為其具有膜片隔離裝置，所以可以保證密封性，而且安裝便捷，結構簡潔小巧，具備較強的耐沖擊性，穩定性與精準度相對較高，抗干擾能力強。如果將壓力傳感器應用到機電控制系統中，當系統內部管道壓強達到15千帕、將傳感器額定電壓設置在12～36V之間，測量介質為氣體或者液體，輸出信號為MODBUS標準通信，基于上述條件液壓傳感器均可展開正常運行。

2.2.3 電路設計

機電控制系統以前通常會通過IC元件對傳感器接收到的信號做出統一處理，但是傳感器技術輸出信號在4～20 mA范圍內時，IC元件僅能夠用于輸出與處理電壓信號。所以對電流轉換與電壓轉換的電路要做出合理化設計，可以嘗試應用高精密的電壓調節裝置。當4～20 mA的電流經過電阻時會被轉化為對應額度的電壓，扣除基本電壓后就能夠得出電壓輸出值。4 mA電流的輸出電壓值為0 V，20 mA電流的輸出電壓值為5 V，所以應用上述的計算方式，可以得出電阻值，即208.33 Ω。基于此設計機電控制系統，需要以串聯方式連接10 Ω微調電阻以及200 Ω固定電阻，應用+12V電壓作為啟動高度開關閥的電源。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 有機調節軟件

機電一體化的自動控制系統設計，需要技術人員結合現場生產需求在系統程序中提前設定好工作時間組，便于直接應用對應按鍵的靈活調用。可以嘗試選擇非編碼鍵盤中的運行鍵、停止鍵、檔位鍵，其中運行鍵與停止鍵可以控制機械設備立即投入使用或者停止運行。在主程序當中，系統完成初始化作業后會清理存儲單元數據，此時系統會處于自動監控狀態，需要通過外部中斷操作或者中斷子程序。在自動化有級控制系統的沖擊子程序中，在開進與關回油錐閥操作后，需要確定工作時間組，然后繼續打開定時器，以控制油錐閥的開進與關回。當在處理有級自動控制鍵盤時，如果中途出現中斷現象，系統會采用延時方式進行判定，進而消除抖動，此時如果有按鍵處于閉合狀態，系統則會繼續自動判斷閉合鍵鍵號，并結合閉合鍵鍵號的實際，發出停止或者運行信號，最后中斷抖動繼續返回作業。

2.3.2 智能工作軟件

機電自動化控制系統主要是依托壓力變速器感應到的壓力信號，控制高速開關閥門的啟動閉合。控制模塊軟件需要逐一完成系統初始化、處理指令對接口輸出數據、驅動執行模塊等一系列任務。比如在液壓沖擊器系統的運用中，在A/D轉換程序中，應用采樣保持電路轉換通道地址，繼而進入片選環節，選擇進入AINO模塊通道。此時開啟A/D轉換程序并實施延時執行，轉換結束就可以將結果傳送到采樣通道地址，否則將再次延時，直到完成全部轉換操作，自動控制子程序需要按照開進與關回油錐閥門、關回與關進油錐閥門的順序進行，然后完成對氮氣室壓力的自動化檢測，根據壓力值決定油錐閥門的操作。此時二次檢測氮氣室壓力，在得到最小值后參照相關公式計算出反彈速度，同時做好詳細記錄。

3 機電一體化技術的實際應用分析

3.1 應用于數控機床改造

數控機床刀具以及工作臺作業具有高密度特點，需要依據坐標軸展開，所以控制方式要具備插補功能以及連續控制功能。開環系統結構要盡量精簡，一方面是為了方便維修，同時也可以控制成本。因此通常會在數控機床結構中設置環伺服系統，滾珠絲杠副的傳動效率會相對提高，且磨損程度低、運動狀態穩定，如果可以將滾珠絲杠副的傳動裝置提前做好預緊，就能夠讓絲杠與螺母中間的縫隙消除，在反向傳動中增加定位的精準性，而且不會存有空間死角。Z80-CPU作為一項微處理系統，在我國數控機床系統中的應用非常普遍，與諸多應用軟件均具有適配性，系統的開發升級難度也同樣適宜。與Z80-CPU配套的芯片價格也在合理范圍內，在實際應用中其可靠性與通用性較高，維修較為方便。Z80微處理系統的輸入指令與輸出指令，不論是格式還是執行時間都具有獨特性，相比其他處理系統，反應速度會更快，這也就縮減了現場掃描的周期，極大地提高了機床工作的效率。因此，在實施數控機床改造中可以應用經濟性的Z80-CPU系統，通過處理器對數控機床的運行參數進行精準運算，然后由輸入與輸出接口完成加步進脈沖的傳遞，經一級齒輪減速轉矩增大后，縱、橫向以伺服電機作為驅動元件，帶動滾珠絲杠的轉動。

3.2 應用于機械閉環控制

PMAC控制下的高密度閉環運動系統也是機電一體化系統中的一項，在我國工業自動化系統中較為常見。該控制系統模擬量輸出信號范圍為不大于10KV，通過設定步驟與調試就可以對伺服電機程序進行自動調整。利用絲杠螺距誤差補償以及反向間隙的調試，讓系統整體的分辨率得到顯著增加，精準度也會有所提升。工作人員在控制系統基礎上，依據具體使用要求選擇最為適宜的構成部分，以確保與工業生產需求相適應，最終設計出機電一體化系統。在運動控制技術不斷發展的今天，運動控制器的硬件結構將會更加開放，并且便于安裝與功能升級，為機電一體化系統拓展出更多可開發空間。

3.3 應用于紡織機械設備

化纖機械中的卷繞機一般會應用積極轉方式，導絲器與卷繞筒兩者的往復頻率是處于相對固定的狀態，而卷繞交叉角則是始終在變化的。該控制系統中包含導紗電機、測速電機、控制板，為避免紗料在過程中產生重疊現象，系統中還會增設螺旋線升角卷繞法、步進精密卷繞、擺頻干擾卷繞等多種控制手段。PCC與TPU測速模塊在獲取到導絲器傳動軸傳感器、卷裝轉速傳感器發出的感應信號后，會展開高速運算，并將運算結果轉換成往復頻率和錠軸轉速傳輸到PCC系統中，系統自動查取到對應的繞速比值，同時分析繞速比值與卷繞角之間的關系，最終傳輸出更趨于合理饒速與控制信號，通過控制變頻調速器調整導紗電機與錠軸電機的轉速，以提高卷裝容量與作業精度。

4 結語

綜上所述，機電一體化是自動化控制技術與機電控制技術的智能化結合，是升級生產設備、簡化生產流程的關鍵環節，企業積極運用機電控制系統實施生產工作，已經代表企業向智能化的發展方向邁進。當前企業需要做的是，加大對機電一體化產品的研究，通過自動化技術與信息化技術的加持，加快轉變企業現有的生產與經營模式，走集約型發展道路，在降低生產成本的基礎上，實現長效、穩定的發展。