基于DSP的金刚石压机智能控制系统电路设计

0 引言

人造金刚石是一种重要的工业原材料，几乎涉及国计民生的各个领域。我国目前是金刚石生产和出口大国，产量约占世界产量的2/3。但是，国产金刚石工业产值却只占世界工业产值的1/3，这主要是由于质量不高所造成。生产人造金刚石的主要设备是压机，从我国目前生产金刚石的设备来看，大部分生产厂家使用六面顶压机，随着国内六面顶腔体的大型化和对这一技术的发展应用，与国外在技术装备上的差距在进一步缩小。但是，国内在压机的控制水平上还相当落后，阻碍了金刚石质量的提高。因此，提高国内金刚石压机的控制水平成为当务之急。

1 金刚石的合成工艺

人造金刚石是由石墨片、触煤片在一定的压力、温度条件下生成所得。目前,金刚石生产工艺过程中一个重要的技术环节是压力的台阶型变化,即在金刚石合成初期，将压力分成几个压力段，并在每个台阶压力上保持一段时间。对于温度控制, 目前广泛采用的恒功率控制,该技术的最大弱点是:当加热时间足够长时,石墨在催化剂中再结晶成片状,不利于金刚石的生长。对于温度的控制，我们可以通过对加热电压的间接控制来实现，且这种控制方法在实践中也能达到很好的控制效果。

2.硬件设计方案

2.1 TMS320LF2407简介

TMS320LF2407片内集成有32k FLASH，1.5k字的数据／程序RAM，544字的双口RAM (DARAM)和2k字的单口RAM(SARAM)；10个10位ADC外围接口，CAN总线接口，4个通用定时器和一个看门狗计时器；运算数率高，单个指令周期执行时间仅为33ns；工作电压为＋3.3V，工业级温度范围－40～＋8°C，特别适合于工业应用。由此可以看出该DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统提高实时性、实现小型化和低成本提供了一个理想的解决方案。另外，压机的控制变量和所接的外设较多。选用DSP控制器，正好利用它的实时控制能力强和集成外设丰富的优点，故选用TMS320LF2407作为控制和数字化处理的核心。

根据压机所需要实现的功能，以TMS320LF2407为核心的系统硬件结构如图1所示。

图1 金刚石压机控制系统原理图

2.1 数据采集

该系统共有9路信号输入，依次输入DSP的ADIN0～ADIN8接口，分别为6路位移量、1路电压量、1路压力量、1路电流量。其中位移、电压、压力三个需反馈给处理器，从而构成3个闭环控制，电流只是用作显示。采样过程中，需对信号进行滤波，根据要求我们选用二阶有源滤波器，截至频率为10Hz。

在控制系统中温度控制可通过控制金刚石的加热功率来实现，即 P＝U×I，在此我选用电压控制方法－即控制金刚石的加热电压来间接控制温度。金刚石加热端电压为0～6V，需进行变压、滤波，后转换成0～3.3V信号输入DSP的ADIO口，考虑到实际工业现场干扰较多，在此滤波电路选用二阶有源滤波，截至频率为10Hz。同时选用TIL300芯片来实现光电隔离。

2.2 同步和触发

压机的温度大小通过加热电压来间接控制，加热电压的大小通过串联到220V工频电路上的加热晶闸管的导通角大小来严格控制。在此，采用数字触发方式来触发晶闸管的门级。所以必须使得触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持严格的相位关系。该系统中，由于晶闸管与工频电串联，所以晶闸管的阳级的电压就是工频电压，所以采用过零检测的办法，检测工频电的过零点，也就确定了晶闸管的阳极电压过零点。然后在此过零点的基础上，再根据计算得出的导通角大小来在合适的时间输出门级触发脉冲。通过过零检测电路，在每次的交流电压过零点处产生一次脉冲，也即确定一次晶闸管阳级电压过零点，从而触发DSP的INT1中断。选用为50Hz工频交流电，周期为20ms，所以10ms一个过零点，也即10ms一次脉冲触发INT1中断。触发脉冲输出信号由DSP的IO口，经数据锁存器产生，通过触发电路电路驱动晶闸管。触发脉冲的宽度由控制器设定，考虑到控制系统为感性负载，触发脉冲应加大，在此设为1ms。

3.控制算法

3.1 加压控制

根据工艺要求。加压控制根据合成材料的不同分2～6段超压、保压，超压到90MPa左右，再保压几分钟后卸压，完成一个工序，时间为几分钟到十几分钟。控制过程中，超压采用主泵开关控制，保压采用副泵补压模糊PID控制。

模糊控制具有控制速度快、过程参数变化适应性强、可靠性高、不受工作环境影响、鲁棒性好、灵敏度高、无需精确数学模型等特点。但模糊控制的稳态性能较差，故采用模糊－PID复合控制地方法，以提高模糊控制的精度。如下图所示，压力控制策略是采用多模态分段控制算法来综合比例、模糊、比例积分控制的长处、3种控制方式在系统工作过程中分段切换使用。在偏值大于某一阈值时，希望