基于单片机的注塑成型机电液控制系统的设计

【摘要】设计了基于单片机的注塑成型机电液控制系统。系统以AT89C52单片机为核心控制器、压力传感器、电液比例溢流阀、液压系统构成注塑成型机压力闭环控制系统；控制系统引入增量式PID算法对注塑成型机进行压力闭环控制。实验结果表明，该系统控制性能快速、稳定、可靠，能够保证注塑产品的稳定性。

【关键词】AT89C52单片机；注塑成型机；电液比例控制；PID算法

热塑性或热固性塑料加工是目前工业生产中广泛使用的加工方法。在注塑成型加工工艺中，注塑成型机注塑前合模压力、注塑后注射压力是保证注塑制件质量的关键技术。如果注塑前合模压力不稳定，转速过慢，被注入模腔的塑料会从模缝中溢出；如果注塑后注射压力不能稳定的保持一定的时间，熔料不能完全的冷却、固化定型，充满模具型腔的塑料倒流，造成废品。本文设计了以AT89C52单片机为核心处理器，由压力传感器、电液比例溢流阀、液压控制系统构成注塑成型机压力闭环控制系统；系统采用 PID控制算法对注塑成型机压力进行控制，使注塑成型机注塑前合模压力、注塑后注射压力稳定可靠，从而提高了注塑制件的产品质量。

1.系统总体方案设计

注塑成型机电液控制系统主要由单片机系统、压力传感器、功率放大器、电液比例溢流阀、液压系统组成。压力传感器实时检测液压系统输出压力的变化信号，并将检测的信号传送给单片机，单片机对液压系统输出压力信号进行PID控制计算处理后，输出的调节信号、经功率放大器放大后、调节电液比例溢流阀动作、控制液压系统输出压力。注塑成型机电液控制系统总体结构如图1所示。

单片机系统的硬件结构框图如图2所示，由单片机最小系统、电源模块、UART串行通信模块、AD转换模块、DA转化模块、显示模块、键盘模块七部分组成。

（1）单片机最小系统主要由单片机和一定功能的外围电路、时钟电路和复位电路三部分组成。本设计选用AT89C52单片机作为本系统的核心器件，AT89C52片内设计了8KB的可反复擦写的程序存储器和256字节的数据存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。AT89C52单片机有40个引脚，32个外部双向I/O端口，2个外中断口，3个16位可编程定时/计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，1个数据指针DPTR。中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构，全静态操作：0HZ～24HZ；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式。系统时钟电路采用频率为12MHz的晶振电路；系统复位电路设计中加入了过流保护功能。

单片机系统及外围器件均使用+5V电源。

（2）UART串行通信模块设计。PC机通过UART串行通信模块与单片机之间进行通信、下载程序。系统采用专用的RS232标准接口转换芯片MAX232芯片进行AT89C52单片机与RS-232接口的电平转换。MAX232芯片符合所有的RS-232C技术标准；只需要单一+5V电源供电；片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压；功耗低，典型供电电流5mA；内部集成2个RS-232C驱动器。

（3）A/D转换模块选用TLC549芯片，将传感器采集的模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号。TLC549芯片是一种CMOS单通道8位逐次逼近式A/D转换器，它采用串行方法传输数据。TLC549芯片的I/O时钟输入频率最高可达1.1MHz，最高转换频率为40kHz，具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17µs，总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。

（4）系统D/A转换模块选用TLC5615D/A转换芯片，将单片处理完的数字信号转换为模拟信号、控制电液比例溢流阀的动作。TLC5615芯片是具有高阻抗输入和串行接口的数模转换器，并行输入输出的10位DAC寄存器，为10位DAC电路提供待转换的二进制数据、最大输出电压是基准电压值的两倍，采用+5V电压供电。芯片自带上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。TLC5615芯片的数字控制需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，并且与CMOS电平完全兼容。

（5）系统采用LCD1602液晶显示器作为输出器件。LCD1602液晶显示器内置192种字符（160个5X7点阵字符和32个5X10点阵字符）；液晶显示器还提供了显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个5X8点阵的图形字符的字模数据；液晶显示器工作电压4.5-5.5V、工作电流2.0mA；液晶显示器最佳工作电压是5.0V；液晶显示器字符尺寸为2.95X4.35（WXH）mm。

（6）系统采用独立键盘对系统操作、发送各种指令，独立键盘电路配置灵活，软件结构简单，各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线结构，一根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，因此，通过检测输入线的电平状态就可以判断出哪个按键按下了，可实时掌握系统的运行情况。

2.液压控制系统设计

注塑成型机液压系统的原理图如图3所示。

系统工作流程为：按下启动开关，液压马达1M开始旋转，并经由一组齿轮减速带动螺杆旋转，粒状塑料由机筒和旋转的螺杆经一段时间（5S）后成为熔融状态，此时液压马达停转，螺杆停转，双作用液压缸2A注入压力油，并推动螺杆进给，把熔融状态的塑料注入模腔，当压下行程开关时，换用预设压力更高的溢流阀接入回路，此时压力油继续注入，使液压缸的压力保持在高压状态，并可以持续一定的时间，当液压缸的压力到达压力开关预设的压力（其应小于溢流阀的调定压力）时，液压缸2A开始返回，压下行程开关后，液压缸3A开始前进运动，进行脱模，压下行程开关后开始回程合模，到此完成一次循环。

注塑成型机的压力控制系统由电液比例溢流阀、三位四通换向阀、液压缸等组成。压力传感器检测液压缸的输出压力信号并反馈给单片机系统、单片机系统将反馈信号与设定的压力信号进行比较，获得一个偏差值，该偏差值经由PID控制器处理后、再进行D/A转换、功率放大，对电液比例溢流阀线圈电流进行调整、控制阀芯动作、调节液压缸输出压力。简化后的注射压力控制系统框图如图4所示。

由图4可以得到注塑成型机的注射系统压力控制的闭环传递函数表达式：

式中，比例放大环节；比例溢流阀二阶振荡环节的传递函数，；压力传感器的传递函数；比例放大器增益，=；压力传感器增益，=。

3.PID控制器设计

系统采用增量式PID算法对注塑成型机压力变化进行的实时控制。增量式PID控制算式为：

式中，比例控制参数；积分控制参数；微分控制参数；为实时压力检测值与压力设定值的差值；；、的初值为0。

由式（2）可以看出，因为一般计算机控制系统的采样周期是恒定的，所以只要确定了，，三个参数，使用前三次测量的偏差值，就可以求出所需控制增量。因为增量式PID控制算法中计算机输出的为控制增量，所以受到误操作的影响较小，而且计算中不需要累加，控制增量仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理获得较好的结果。

本系统采用Ziegler-Nichols方法，该方法是基于系统稳定性分析的PID整定方法，在设计过程中无需考虑任何特性要求，整定方法简单，控制效果理想。

具体整定方法为：（1）先构建系统的闭环控制回路；（2）再设置和的值为0，逐渐增加，直到在输出得到一个持续的稳定的振荡；（3）记录下振荡时的P部分的临界增益和振荡周期，（4）代到表1中计算，，的值，，，。

4.实验

4.1 控制系统仿真试验

根据系统的传递函数，用MATLAB软件对系统进行阶跃时间响的仿真实验。控制系统采用增量式PID算法对阶跃时间响的图形如图5所示，可以看出，增量式PID控制的超调量比较小，响应速度快、只需0.21毫秒就进入稳定状态，控制效果明显。

4.2 FESTO电液比例控制试验台压力变化的曲线

在德国FESTO电液比例控制试验台上对注塑成型机压力控制系统进行模拟实验。注塑机压力变化的曲线如图6所示。由图6看出，系统工作时，完成一次循环周期，系统的流量是不断变化的，执行装置工作压力要求多、变化大，这主要是依靠行程开关切换电磁换向阀来实现的；当注塑成型机注塑时其压力出现波动，注塑完成后的保压过程系统的压力很稳定，系统启模顶出的压力变化呈方波特性、完全符合技术要求。

5.结束语

实验结果表明，所设计的增量式PID控制器的超调量比较小，响应速度快，控制效果明显；液压控制系统能够较好的实现注塑成型机在工作循环中流量的不断变化，执行装置工作压力要求多、变化大等技术要求；注塑成型机保压过程的压力很稳定，注塑成型机启模顶出的压力变化呈方波特性，完全符合技术要求。

参考文献

[1]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，1999.

[2]张玉莲.液压和气压传动与控制[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[3]王华山.塑料注塑技术与实例[M].化学工业出版社，2006.

[4]钟汉如.注塑机控制系统[M].北京：化学工业出版社，2003（12）.

[5]张利平.张秀敏.注塑机的电液比例控制系统[M].国外塑料，1996（01）.

[6]刘成峰.注塑机电液控制系统的建模及仿真研究[D].太原理工大学，2003.

[7]李兴成.基于单片机的注塑机控制器设计[J].机械与电子，2010（S1）.

作者简介：

邹云菲（1987—），女，山东莱芜人，西安工程大学在读硕士研究生，研究方向：机械信息测试和控制系统的研究。

高晓丁（1956—），男，陕西西安人，教授，主要研究检测技术、传感器技术和机电控制。

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