模內層壓模具動態溫度控制系統的設計實現

孫瑩，唐小琦，梁松儉

（1.華中科技大學 機械學院國家數控系統工程技術研究中心，武漢 430074；2.四川交通職業技術學院，成都 611130）

0 引 言

模內層壓技術是集裝飾、注塑一體的新工藝新技術。為了不破壞基材的物理屬性，保證熔體維持穩定的層流，模內層壓成型應采用穩速的低壓注塑。不過，在通用注塑機上進行低壓注塑時，存在兩個影響質量的關鍵問題：一是由于基材表面粗糙，低壓注塑使熔體難以迅速充滿型腔；二是通用注塑機的恒模溫控制，且模具溫度相對較低，同樣，影響熔體的流動性。特別是大型模內層壓注塑，這兩個問題顯得尤為突出。本模具采用模具倒裝結構、多級熱嘴針閥、熱流道系統和多回路多方式冷卻系統等多種新工藝、新結構，通過對針閥注射時間進行順序控制和模具溫度的動態控制等，成功實現了大型模內層壓注塑。本文重點介紹模內層壓注塑模的動態模溫控制系統。

模溫是注塑過程中重要的工藝參數，通常是指與制品接觸的模腔表面溫度。動態變模溫控制思想是把注塑過程中的模具溫度劃分為加熱、高溫保持、冷卻和低溫保持4 個工作狀態，根據實時設定值，實現階段性的精準控制。由于系統采用優化的PID 控制策略，構建了運算和處理能力強的硬件平臺，使加熱過程快，溫度精確及穩定，同時，控制系統還具有過程狀態實時監測、顯示，以及報警等多種功能。

1 溫度控制方式和系統構成

本模具屬于大型模具，為提高加熱速度，確保熔體的流動性，模具設計有64 路熱流道，以及龐大的加熱系統。由于溫度控制點多、且工藝要求復雜，溫度控制系統必須可靠性高、獨立性強，以及能與管理控制中心（上位機）快速實時通訊。為此，溫度控制系統由加熱與溫度控制電路、溫度檢測系統、測控系統組成。每個模塊配合注塑機的工作進程，協調工作。

1．1 加熱與溫度控制電路

模具加熱與溫度控制電路由加熱器電熱環、功率調壓電路和控制量傳輸電路組成，如圖1 所示。功率調壓電路為電熱環提供可變電壓，其輸出電壓的大小由可控硅觸發脈沖（移相脈沖，即PWM 波）的占空比決定，占空比越大，輸出電壓越大，系統加熱越快。

圖1 加熱與溫度控制電路

PWM 波由測控系統產生，其占空比取決于上位機的控制量。且PWM 波應與加熱電源同步，為此由外部硬件電路產生一個與220V 交流電源同步的過零基準脈沖。測控系統在上位機的控制下，以過零脈沖為基準，產生占空比受控于上位機控制量的PWM 波，由PWM＿1 端輸入，控制可控硅的導通角，從而實現對加熱系統的溫度控制，加熱系統的溫度控制原理如圖2 所示。

圖2 溫度控制原理圖

1．2 溫度檢測系統

溫度檢測系統包括模具溫度檢測模塊、冷端補償溫度檢測模塊和溫度報警模塊。

1）模具溫度檢測模塊。模具溫度檢測模塊用于采集和傳輸模具當前溫度。溫度采集選用精度高、重復性好、應用廣泛的J 型熱電偶；信號傳輸及轉換電路由多路模擬開關CD4607、A/D 轉換器ADS774 和74LS573 鎖存器，以及AC245 收發器構成。溫度采集范圍：0～600℃；電路輸出信號：0～10V。

2）冷端補償溫度檢測模塊。在溫度控制過程中，冷端補償的精度直接影響著當前溫度的測量精度，因此，冷端補償是必不可少的。冷端補償溫度即為現場環境溫度的采集，選用高精度數字式溫度傳感器DS18B20，外部供電方式。DS18B20 具有1-Wire 總線技術，節省I/O 資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等優點。

3）溫度報警模塊。溫度報警電路實時檢測加熱電路的電流，產生過載和短路報警信號，由IN＿1 輸出，通過上位機的人機界面實時顯示，反應模具的當前工作狀況。溫度報警電路采樣元件選用TAK12-05 精密電流互感器（如圖1 所示的T1），其外型尺寸極小，全封閉，抗電強度高。

1．3 溫度測控系統

圖3 溫度檢測與控制系統的結構框圖

測控系統由上位機（帶PC/104 總線的研華PCM-3370 工控機）和下位機（CPLD 和FPGA）組成。測控系統的結構如圖3 所示，溫度測控過程為：64 路J 型熱電偶采樣模具當前溫度，經由CPLD 控制的多路選擇器和A/D轉換后與1 路用于冷端補償的數字溫度傳感器DS18B20采樣的現場溫度一起，由PC/104 總線送至上位機。上位機根據當前溫度、設定溫度和冷端補償溫度，進行軟件冷端補償計算和溫度PID 調節控制計算產生PWM 脈寬控制量，傳至下位機CPLD；CPLD 接收PWM 脈寬控制量，經譯碼傳至FPGA 的雙端口RAM，同時，由CPLD 控制冷端補償溫度檢測、模具溫度檢測和溫度報警檢測信號的處理與傳輸，并送至上位機；FPGA 接收CPLD 的譯碼信號，依據控制量生成移相PWM 波，通過光電隔離和RC濾波電路，送至加熱電路，控制可控硅導通角，改變功率調壓電路的輸出電壓，實現溫度控制。同時，利用FPGA內部的雙端口RAM 可把各通道設定的溫度、系統參數存儲起來，在系統斷電或復位后，可以繼續運行，由此增強系統的抗干擾性能。

2 軟件設計

本系統的設計參數如下：

1）A/D 轉換器位數為12 位；2）PWM 基準脈沖頻率為100 Hz，周期為10 ms；3）PWM 波的最大占空比為80%，PWM 每個周期的高電平最大寬度為8 ms；4）溫度控制范圍為0～600 ℃。

溫度控制系統的控制結構為上位機產生PWM 脈寬控制量傳至下位機的CPLD，CPLD 對控制量進行類型轉換（十六進制數轉換為二進制），譯碼后傳至FPGA，由FPGA 生成PWM波。為此，下位機軟件主要包括CPLD軟 件 模 塊（temperature.vhd）、FPGA 軟件模塊（pwm.vhd）和 98倍 分 頻 程 序clk_98.vhd 三 部分。軟件的設計采用 Quartus Ⅱ 6.0編程軟件環境下的VHDL 語言和原理圖設計相結合的方法完成。其中temperature.vhd 程序包括冷端補償溫度的檢測與溫度數據的上傳，模具溫度檢測通道與模具溫度報警通道的選通，上位機下傳的PWM 脈寬控制量的接收等，temperature.vhd 生成的原理圖如圖4 所示。pwm.vhd 程序根據接受到的PWM 脈寬控制量產生64 路PWM 波及輸出，pwm.vhd 生成的原理圖如圖5 所示。clk_98.vhd 程序用于晶振脈沖的98 倍分頻處理。根據溫度控制范圍、A/D 轉換器位數，以及PWM 基準脈沖周期和高電平最大寬度等設計參數，本設計將晶振脈沖進行98 倍分頻，獲得周期為1.95 μs 的脈沖，使上位機輸出的數值即為分頻后脈沖的個數，使得程序更簡化，clk_98.vhd 生成的原理圖如圖6 所示。

圖4 temperature.vhd 生成原理圖

圖5 pwm.vhd 生成原理圖

圖6 pwm.vhd 生成原理圖

3 溫度控制策略

為實現模具快速的加熱和精確穩定的動態控制，本系統對控制量采用了PID 控制策略。由于注塑機械和熱熔體的快速運動，使各熱流道溫度之間有著強耦合的關系，溫度出現變參數、大時滯、隨機干擾等特性，為此對PID 控制算法進行了相應優化，主要體現在以下點：

3．1 積分分離

普通的PID 控制一開始便進入比例積分控制，在短時間系統存在較大溫度差的情況下，由于積分累積，將導致控制信號超過執行器件的有效范圍，系統將產生較大的超調和長時間的波動，即積分飽和現象。為此，對PID控制策略進行改進，采用積分分離措施，即根據加熱體的實際情況，在積分環節設定一個積分分離誤差溫度閾值Tpi，當溫度小于Tpi的時候只有比例環節，當大于Tpi時，再加上積分環節。

3．2 最大控制量限制

K 值可通過實驗確定。

3．3 合理選擇比例與積分系數

比例積分系數的選擇應全面綜合考慮加熱速度、超調狀況，以及積分分離誤差溫度閾值，首先設定全速加熱的范圍，確定一個合理的比例系數，然后，在PI 控制范圍內進行細化分段，遵循“比例作用逐漸減小、積分作用逐漸增大”的原則，詳細計算確定每段內比例和積分系數。這樣可使系統隨著設定溫度的接近，盡量減小由于溫度信號干擾帶來的控制量跳動，從而有效提高控制精度。

4 控制系統的應用

以235℃加熱為實例，采樣周期為400 ms，積分分離溫度閾值Tpi=215 ℃，系統的加熱溫度與采樣點關系曲線如圖7 所示，加熱控制量與采樣點關系曲線如圖8 所示。由圖可見，溫度低于215 ℃時系統在比例控制方式下快速加溫，耗時約500 采樣周期，即200 s 左右；溫度介于215～235 ℃之間時采用PI 調解，該時段比例作用逐漸削弱，積分逐漸加強或保持，在約760 采樣周期后，系統平穩達到設定溫度；系統進入保溫狀態后在積分調解控制下，溫度穩定在設定溫度值±0.5℃之內。由室溫31 ℃加熱到設定235 ℃，總耗時約5 min。

圖7 加熱溫度曲線

圖8 加熱控制量曲線

5 結 論

模內層壓低壓注塑模采用動態變模溫控制方案，設計基于CPLD、FAGA 的高可靠、強獨立，以及能快速通訊的測控系統，并應用優化的PID 控制策略，使系統測量精度達0.1℃，控制精度達0.5℃，不僅滿足低壓注塑工藝對溫度控制的要求。而且由于注塑壓力小，熔體均勻，不用保壓，可提高生產效率，節省材料（5%左右），降低模具成本，延長模具壽命長（本模具的鎖模力僅為高壓注塑的1/3 左右）。本系統的控制思想在模內層壓低壓注塑行業中具有廣闊的應用前景。

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