一种静电粉末喷涂控制器及控制方法

摘要

本发明公开的一种静电粉末喷涂控制器，包括主控MCU电路，以及分别与主控MCU电路相连的人机界面电路、触发信号处理电路、喷枪接口信号处理电路和气压信号处理电路，还包括为上述电路供电的开关电源。本发明的控制器以及控制方法，能实现多种工作模式、电气参数和气压参数自动控制并在PI控制基础上增加学习控制策略。

权利要求

1.一种静电粉末喷涂控制器，其特征在于：包括主控MCU电路，以及分别与主控MCU电路相连的人机界面电路、触发信号处理电路、喷枪接口信号处理电路和气压信号处理电路，还包括为上述电路供电的开关电源；

所述人机界面电路包括三端LDO稳压器SPX1117、LED、数码管LED驱动器、按键输入扫描电路；其中三端LDO稳压器SPX1117将+5V降为+3.3V作为人机界面电路的MCU工作电源；数码管LED驱动器、按键输入扫描电路采用2片BC7277，BC7277通过SPI接口与人机界面的MCU通信；人机界面的MCU采用USART1接口和RS422驱动器SP3490与主控MCU电路通信，采用USART3接口和RS485驱动器SP485与外部RS485总线连接，实现多台静电粉末喷涂控制器组网。

2.根据权利要求1所述静电粉末喷涂控制器，其特征在于：所述主控MCU电路的MCU采用STM32F205VC。

3.根据权利要求1所述静电粉末喷涂控制器，其特征在于：所述人机界面电路的MCU采用STM32F100C8。

4.根据权利要求1所述静电粉末喷涂控制器，其特征在于：所述主控MCU电路与人机界面电路通过RS422接口通信。

5.一种静电粉末喷涂控制方法，采用权利要求1至4任一权利要求所述静电粉末喷涂控制器，其特征在于，包括以下步骤：

主控MCU电路通过I/O接口与触发信号处理电路连接，接收外部触发信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作状态输出触发容许信号；通过喷枪接口信号处理电路获得输出的电压、电流和电气输出状态反馈信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作模式和工作状态输出控制电压，调节输出的静电电压或者静电电流；通过气压信号处理电路获得流速气压和雾化气压反馈信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作模式和工作状态输出步进电机控制信号，调节流速气压和雾化气压输出值；

触发信号处理电路接收外部触发信号并转换其逻辑电平后变为主控MCU电路的触发输入信号；根据外部触发信号和触发容许信号的逻辑与结果决定输出气路开关信号和电路开关信号的逻辑高和低，实现气路和电路输出的开和关；

气压信号处理电路根据气压开关信号和步进电机的调节位置把空气输入压力变为所需的流速气压和雾化气压压力，同时把输出压力测量值输出给主控MCU电路，在主控MCU电路内部实现气压的数字控制，喷枪接口信号处理电路外接喷枪，把开关电源提供的24V电压变为外接喷枪所需的控制电压，接收喷枪的电流反馈输入值，同时把输出电压、电流和状态传输给主控MCU电路，与主控MCU电路一起实现静电粉末喷涂控制器的各种控制模式。

6.根据权利要求5所述的静电粉末喷涂控制方法，其特征在于，其控制模式为静电工作模式，静电工作模式包括常规的恒电压模式和恒电流模式，还包括恒功率模式和恒电流密度模式；其中恒功率模式为静电输出电压和电流的乘积不变，恒电流密度模式是在恒电流模式基础上，根据输出气压的变化对输出电流进行微调，使得输出的电荷数与输出的粉末量成正比，实现等电流密度。

7.根据权利要求5所述的静电粉末喷涂控制方法，其特征在于，所述静电粉末喷涂控制方法，针对自动静电喷涂过程为一重复工件喷涂过程，引入迭代学习控制思想，在每次静电控制电压输出时，根据前次控制误差用于修正本次的控制电压输出。

说明书

一种静电粉末喷涂控制器及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及静电粉末喷涂领域，特别涉及一种静电粉末喷涂控制器及控制方法。

背景技术

[0002] 静电粉末喷涂是利用静电场对带电微粒的作用力使带电涂料粉末牢牢吸附在被加工的工件表面，粉末层经过高温烘烤、熔化、流平和低温固化后，在工件表面形成结实的涂层。静电粉末喷涂控制器是完成静电粉末喷涂的关键设备，现有的控制器往往只对静电电压和静电电流实现了自动控制，未对流速气压和雾化气压实施自动控制，许多国外控制器也只有雾化气压和流速气压的手动调节功能，使得在静电喷涂过程中对气源的气压稳定性要求很高；现有的控制器所支持的控制模式往往也只有静电电压模式和静电电流模式，很难满足高质量喷涂要求；此外，在控制模式的实时运行时，采用的控制策略主要为PI控制策略，缺少适合复杂工件曲面的先进控制策略。本发明实现静电电压、静电电流、流速气压和雾化气压四个变量的自动控制、提供多种控制模式，并把学习控制策略引入静电喷涂控制中，实现对复杂工件曲面的高质量喷涂。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种静电粉末喷涂控制器。

[0004] 本发明的另一目的在于提供一种静电粉末喷涂控制方法，能实现多种工作模式、电气参数和气压参数自动控制并在PI控制基础上增加学习控制策略。

[0005] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：

[0006] 一种静电粉末喷涂控制器，包括主控MCU电路，以及分别与主控MCU电路相连的人机界面电路、触发信号处理电路、喷枪接口信号处理电路和气压信号处理电路，还包括为上述电路供电的开关电源。

[0007] 所述人机界面电路包括三端LDO稳压器SPX1117、LED、数码管LED驱动器、按键输入扫描电路；其中三端LDO稳压器SPX1117将+5V降为+3.3V作为人机界面电路的MCU工作电源；数码管LED驱动器、按键输入扫描电路采用2片BC7277，BC7277通过SPI接口与人机界面的MCU通信；人机界面的MCU采用USART1接口和RS422驱动器SP3490与主控MCU电路通信，采用USART3接口和RS485驱动器SP485与外部RS485总线连接，实现多台静电粉末喷涂控制器组网。

[0008] 所述主控MCU电路的MCU采用STM32F205VC。

[0009] 所述人机界面电路的MCU采用STM32F100C8。

[0010] 所述主控MCU电路与人机界面电路通过RS422接口(经过SP3490驱动芯片)通信。

[0011] 本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

[0012] 一种静电粉末喷涂控制方法，包括以下步骤：

[0013] 主控MCU电路通过I/O接口与触发信号处理电路连接，接收外部触发信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作状态输出触发容许信号；通过喷枪接口信号处理电路获得输出的电压、电流和电气输出状态反馈信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作模式和工作状态输出控制电压，调节输出的静电电压或者静电电流；通过气压信号处理电路获得流速气压和雾化气压反馈信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作模式和工作状态输出步进电机控制信号，调节流速气压和雾化气压输出值；

[0014] 触发信号处理电路接收外部触发信号并转换其逻辑电平后变为主控MCU电路的触发输入信号；根据外部触发信号和触发容许信号的逻辑与结果决定输出气路开关信号和电路开关信号的逻辑高和低，实现气路和电路输出的开和关；

[0015] 气压信号处理电路根据气压开关信号和步进电机的调节位置把空气输入压力变为所需的流速气压和雾化气压压力，同时把输出压力测量值输出给主控MCU电路，在主控MCU电路内部实现气压的数字控制，喷枪接口信号处理电路外接喷枪，把开关电源提供的24V电压变为外接喷枪所需的控制电压，接收喷枪的电流反馈输入值，同时把输出电压、电流和状态(正常、过载和短路)传输给主控MCU电路，与主控MCU电路一起实现静电粉末喷涂控制器的各种控制模式。

[0016] 所述静电粉末喷涂控制方法的控制模式为静电工作模式，静电工作模式包括常规的恒电压模式和恒电流模式，还包括恒功率模式和恒电流密度模式；其中恒功率模式为静电输出电压和电流的乘积不变，恒电流密度模式是在恒电流模式基础上，根据输出气压的变化对输出电流进行微调，使得输出的电荷数与输出的粉末量近似成正比，实现等电流密度。

[0017] 所述静电粉末喷涂控制方法，针对自动静电喷涂过程为一重复工件喷涂过程，引入迭代学习控制思想，在每次静电控制电压输出时，根据前次控制误差用于修正本次的控制电压输出。提高具有复杂曲面工件静电粉末喷涂控制精度。

[0018] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0019] (1)除电压和电流输出自动控制外，还具有流速气压和雾化气压自动控制，降低对输入气源气压稳定度要求。

[0020] (2)具有RS485通信外接接口，静电粉末喷涂控制器既可以与静电喷枪组成单台手动粉末喷涂系统，也可以通过RS485组网成具有多喷枪的大型自动化喷涂系统。

[0021] (3)具有恒电压模式、恒电流模式、恒功率模式和恒电流密度模式共四种静电喷涂工作模式，适应更高喷涂工艺要求。

[0022] (4)引入了迭代学习控制机制，比普通的PI控制算法具有更高的控制精度，提高了喷涂质量。

附图说明

[0023] 图1为静电粉末喷涂控制器结构框图。

[0024] 图2为静电粉末喷涂控制器人机界面。

[0025] 图3为静电粉末喷涂控制器气压控制原理图。

[0026] 图4为恒电压模式控制回路。

[0027] 图5为恒电流模式控制回路。

[0028] 图6为恒功率模式控制回路

[0029] 图7为恒密度模式原理图。

具体实施方式

[0030] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0031] 参考图1，静电粉末喷涂控制器由开关电源、人机界面电路、主控MCU电路、触发信号处理电路，气压信号处理电路和喷枪接口信号处理电路组成。

[0032] 开关电源采用明纬开关电源NED-100D，把交流220VAC变为直流24V和5V，其中24V给喷枪接口信号处理电路的电气输出电路和气压信号处理电路的开关电磁阀和步进电机供电，其它电路采用5V供电。本静电粉末喷涂控制器采用双MCU结构，除了主控MCU电路含有MCU外，人机界面电路也含有MCU，主控MCU选用STM32F205VC，人机界面MCU选用STM32F100C8，两者通过RS422接口(经过SP3490驱动芯片)通信。主控MCU电路通过I/O接口与触发信号处理电路连接，接收外部触发信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作状态(停止或者运行)输出触发容许信号；通过喷枪接口信号处理电路获得输出的电压、电流和电气输出状态反馈信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作模式和工作状态输出控制电压，调节输出的静电电压或者静电电流；通过气压信号处理电路获得流速气压和雾化气压反馈信号，结合静电粉末喷涂控制器的工作模式和工作状态输出步进电机控制信号，调节流速气压和雾化气压输出值。触发信号处理电路接收外部触发信号并转换其逻辑电平后变为主控MCU电路的触发输入信号；根据外部触发信号和触发容许信号的逻辑与结果决定输出气路开关信号和电路开关信号的逻辑高和低，实现气路和电路输出的开和关。气压信号处理电路根据气压开关信号和步进电机的调节位置把一定空气输入压力变为所需的流速气压和雾化气压压力，同时把输出压力测量值输出给主控MCU电路，在主控MCU电路内部实现气压的数字控制。喷枪接口信号处理电路外接喷枪，把开关电源提供的24V电压变为外接喷枪所需的控制电压，接收喷枪的电流反馈输入值，同时把输出电压、电流和状态(正常、过载和短路)传输给主控MCU电路，与主控MCU电路一起实现静电粉末喷涂控制器的各种控制模式。

[0033] 人机界面电路采用三端LDO稳压器SPX1117将+5V降为+3.3V作为MCU的工作电源。LED和数码管LED驱动器和按键输入扫描电路采用2片BC7277，BC7277通过SPI接口与MCU通信。人机界面MCU采用USART1接口和RS422驱动器SP3490与主MCU通信；采用USART3接口和RS485驱动器SP485与外部RS485总线连接，实现多台静电粉末喷涂控制器组网。参考图2，人机界面由4个LED指示灯、1个1位数码管、1个2位数码管、4个3位数码管和12个按键组成。4个LED指示灯分别显示“预设”、“运行”、“触发”和“通信”工作状态，其中“预设”LED灯亮是指人机界面正处在人工配置工作参数状态；“运行”LED灯亮是指静电粉末喷涂控制器正在运行，否则停止等待；“触发”LED灯亮是指喷涂控制器接受外界触发信号并正在输出触发输出电气和气压信号；“通信”LED等量是指喷涂控制正在与外部RS485总线通信。1位数码管指示喷涂控制器的静电工作模式，可为恒电压模式、恒电流模式、恒功率模式和恒电流密度模式。2位数码管显示第几组工作参数，喷涂控制器可以存储从00～99共100组工作参数，其中00～
09组参数为固化在喷涂控制器内部，不能修改，只可调出使用，可以适合目前大多数常用喷涂过程工艺参数，方便用户直接调出使用，不需要对每个参数逐个配置，其它参数组由用户自行配置。4个3位数码管分别实现静电电压、静电电流、流速气压和雾化气压数值。12个按键分别有“参数组”、“电压”、“电流”、“静电模式”和“流速气压”共6个选择配置类型按键，“启动”和“停止”2个喷涂控制器开始工作和停止工作按钮，“预设”、“增加”、“减少”和“确认”4个参数修改操作钮。工作参数配置过程如下，先“预设”按键，“预设”LED亮，进入参数可配置状态，若15秒钟无键按下，则“预设”LED灭，退入参数可配置状态；当“预设”LED亮时，按“参数组”按键，2位“参数组”数码管闪烁，通过“减少”和“增加”按键选择所要工作的参数组，在修改参数组代号的过程中，其它数码管显示保存该参数组中的相应参数，按“确认”按键，把当前的参数组代号设为当前工作参数组。当需要修改当前工作参数组中的参数时，在参数可配置状态，选择参数组代码后，按需要修改的参数按键，如需修改电压参数，则按“电压”按键，则相应的参数显示数码管闪烁，通过按“增加”和“减少”按键修改参数值，最后“确认”按键完成参数修改。

[0034] 静电粉末喷涂控制器不仅实现了输出电压和电流的自动控制，还实现了气压信号的自动控制。参考图3，流速气压和雾化气压的闭环控制回路结构相同，压力传感放大电路1和压力传感放大电路2中传感器采用MPS20N1000D-S、放大器采用LM324，气压反馈信号连接主控单片机STM32F205VC的ADC；执行器采用减压阀和步进电机，步进电机驱动芯片采用A4985SLPTR-T，主控单片机STM32F205VC通过I/O连接电机驱动芯片实现减压阀开度调节，从而使输出气压值在设定值附近。采用开关电磁阀控制气源的输入可以实现输出气压的快速切断和开启，同时减少减压阀频繁动作，延长减压阀工作寿命。

[0035] 静电粉末喷涂控制器可选择恒电压模式、恒电流模式、等功率模式和等密度模式四种工作模式，由一位数码管显示当前工作模式。恒电压模式由电压控制回路实现，参考图4，电压控制回路电路把24V的输入电压变为电压值可变的Vout输出。T401和T403组成达林顿功率调整管，T401选大功率PNP晶体管TIP147，T403选NPN晶体管MMBT4401。A401为误差放大器，选轨对轨放大器OPA4188，其输出通过电阻R403(3kΩ)驱动T403的基极。Usv为电压控制回路的设定值，由主MCU的DAC输出，其工作变化范围为0.85V～3.0V，对应输出电压约
5.95V～21V，Usv为0V时，关闭输出。Upv为输出电压测量值，通过电阻R404(3kΩ)、电阻R405(3kΩ)和电阻R406(阻值为1kΩ)串联分压测量，分压比为1:7。电阻R402(100Ω)为T403(PNP晶体管MMBT4403)的集电极限流电阻；电阻R401(0.5Ω)为T401的过流保护电阻，当流过T401的电流大于1.4A时，T402开始导通，提高T401基极电压，从而限制T401集电极电流的继续增加。

[0036] 恒电流模式、等功率模式和等密度模式由主MCU内部固件和图4电压控制回路及外围电路实现。图5为恒电流模式控制回路，线性降压电压控制回路的电压输出给喷枪；喷枪与工件组成喷涂过程的喷涂电流可以通过喷枪接口反馈给喷涂电流变换电路，喷涂电流变换电路连接主控MCU电路的ADC；主控MCU电路根据喷涂电流设定值Isv与喷涂电流测量值Ipv之差，通过喷涂电流控制器输出电压设定值Usv，从而通过线性降压电压控制回路执行调节过程，实现恒电流控制模式，喷涂电流变换电路在MCU内部采用固件实现。一般的静电粉末喷涂控制的电流模式采用PI控制算法，本发明增加了学习功能，采用了迭代学习控制算法，以适应复杂工件的快速喷涂，提高喷涂质量，迭代学习控制算法如式(1)所示。

[0037]

[0038] 为了保证电压设定值在喷枪要求工作范围，采用了限幅输出，如式(2)所示，得到了最终所要的电压设定值。

[0039]

[0040] 式(1)中，k为加工次数(相对于被加工工件的个数)，k初始值为0，电压设定值Usv的初始值为0，以后每次喷涂运行，从k-1次吸取经验，修改k次的电压设定值Usv，从而提高控制精度，β1为电流反馈增益，取为35；式(2)中，[USVMIN,USVMAX]为电压设定值工作范围[0.85V,3.0V]。

[0041] 等功率模式的控制回路与恒电流模式控制回路相似，如图6所示，采用了功率控制器代替了电流控制器，增加了功率计算器(即为乘法器)，其它与恒电流模式一样。等功率模式的迭代学习控制算法如式(3)所示。

[0042]

[0043] 式(3)中，We为功率误差，sgn、sqr和abs分别符号函数、开方函数和绝对值函数，β2为功率反馈增益，取5.9，其物理意义与式(1)一致，同样地电压设定值也需要经过式(2)的限幅算法后才能作为电压控制回路的设定值。

[0044] 在静电喷涂过程中，气压变化将引起粉末密度变化，等密度模式是根据气压的变化来调节电流控制回路的设定值，减少粉末微粒所带的电荷平均数的变化，提高喷涂质量。参考图7，等密度模式是在恒电流模式基础上根据气压变化修正电流设定值来实现；第一减法器求流速气压PF设定值和测量值之差，第二减法器求雾化气压PA设定值和测量值之差；
恒密度补偿器根据流速气压差和雾化气压差修正电流设定值Isv得到IMsv作为静电电流控制回路的设定值；恒密度补偿器补偿算法如式(4)所示。

[0045] IMSV＝ISV+α1·(PFSV-PFPV)+α2·(PASV-PAPV)   (4)

[0046] 式(4)中α1和α2为修正系数，取值分别为0.05和0.01，或者通过试验测定。虽然本发明已经采用了气压自动控制策略，气压平均波动值不大，但是由于气压调节时间(通过步进电机)较长，存在暂态波动现象，通过式(4)可以克服暂态气压波动对喷涂质量影响，从而进一步提高喷涂质量。

[0047] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。