0    引言

        注塑是指将熔融的塑料利用压力注入模腔中，冷却成型得到所需的各种塑件。立式注塑机不仅可以一次成型形状复杂的精密塑料制品，如照相机镜头、塑料齿轮和激光光碟等，而且生产能力较高，易于实现自动化，因此，这种加工方法近年发展迅猛。

        立式注塑机作为塑料加工行业的主要生产设备，其电能浪费严重的问题已越来越凸显，据统计此系统造成的能量损失高达36%～68%，已严重影响企业生产效益。随着市场竞争的日益加剧，立式注塑机研究的一个重要方向是降低能耗，节约能源，更好的提高其市场竞争力。

        由于立式注塑机是一个复杂的非线性控制对象，传统控制方式较难获得理想控制效果，也不能满足日益复杂的交互控制、功能扩展的需要。因此，本文提出了利用ARMCortex-M3内核微控制器，采用误差反传（BP）神经网络算法实现立式注塑机变频节能控制的方案。

1    变频节能原理

        目前，大多数立式注塑机还是采用液压传动和电液比例控制技术，安装定量泵的控制系统。注塑工艺过程一般包括合模、锁模、熔胶、注射、保压、冷却、开模等，在不同的工作阶段，所需压力和流量是不同的。根据功率公式P=p×q（式中P-功率；p-压力；q-流量）可知，立式注塑机各工作阶段油泵实际所需功率变化很大。可知注射阶段所需功率很大而冷却阶段所需功率几乎为零，传统的定量泵液压控制系统是以恒定转速工作，多余流量通过溢流阀回油箱，因此，电机利用率较低。如若改变电机的转速，使其与系统的需求相适应，即实现各工作阶段电机在不同转速工作，将溢流损失控制在最小状态，从而可以有效的降低立式注塑机的能耗，实现能源的节约。

2    注塑节能控制系统整体设计

2.1    微控制器

        本控制系统所采用的LM3S8962微控制器是TI公司专为工业应用方案而设计的，不仅提供了出色的计算性能和优越的系统系统中断响应能力，而且能够方便的运用多种ARM的开发工具和SoC（片上系统）的底层IP应用方案，以及广大的用户群体。通过使用了兼容ARM的Thumb®指令集的Thumb2指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。

        LM3S8962微处理器主要完成以下工作：一上电系统开始自检，检测控制系统是否存在故障，若有故障则进行报警，若无故障系统正常运行。系统正常工作时，采样压力和流量，通过BP神经网络计算变频器所需频率，进而控制电机工作。

2.2    Modbus通信电路

        本系统变频器和电机之间采用RS485作为介质利用Modbus协议进行通信。

        Modbus是应用于电子控制器上的一种通用工业标准。通过Modbus协议，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

        Modbus协议有ASCII和RTU两种传输模式。本系统采用通信效率较高的RTU模式，每个消息包括了两个基于CRC校验的检测字节。CRC域可校验整个消息的内容。该域由传输设备计算后添加到消息帧的最后两个字节。接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC域中的值比较，如果前后两值不同，则有误，通信失败。

        利用Modbus协议向变频器发送消息，变频器会发送一个响应消息，ARMCortex主控板收到变频器响应消息后，会根据该响应消息作出判断，若响应消息正确，则表明通信正常，系统可正常工作。若响应消息错误，则重发消息。若连续三次错误，发出故障报警，并自动切换到工频运行，保持立式注塑机原工作特性运转，避免了生产事故的发生。

        ARMCortex主控板预留了一路RS485口，该RS485口可向上位机发送油泵的压力和流量值以及变频器工作的频率值。上位机软件可自动生成连续的曲线，便于排除故障和对节能系统的工作过程进行监控。本方案选用3.3V的485通讯芯片SP3485。

        ARMCortex主控板连接变频器的Modbus信号线，FP0为RS485收发使能信号线，UARTTXD为ARMCortex串行发送信号线，UARTRXD为ARMCortex串行接收信号线。

2.3    变频控制电路

        立式注塑机的负载性质是恒转矩类，机械特性较硬，动态特性要求较高，故选择立式注塑机电流高性能矢量变频器TD3400。通过对电机转矩和速度精确控制，速度能宽范围高精度的运行。变频控制电路主电路，当变频器出现故障能够切换到工频工作，不影响立式注塑机生产。因变频器的输出含有高次谐波，会以传导，辐射，耦合三种形式产生干扰。节能控制系统的动力线与控制线分开走线，控制线采用铠装RS485双绞屏蔽线，动力线用金属软管套装。在变频器的输入和输出端套装磁环。

3    控制系统节能软件设计

        对于立式注塑机这样一个复杂的非线性控制对象，采用传统方式控制效果并不理想，因此本系统软件设计采用BP神经网络计算所需频率值。BP算法类似梯度搜索算法，它采用最小二乘法，使网络的实际输出值与期望输出值的误差均方值最小，正向传播过程中，输入信息通过输入层传向隐含层，经各隐含层层层处理后，再传向输出层，若输出层达不到期望值时，则转入误差反向传播，通过修改各层神经元的权值，使误差信号达到最小。本文以注塑压力、流量误差及误差变化率作为输入参数，以电机频率作为输出，即主控芯片LM3S8962将采集到的压力、流量信号经BP神经网络算法处理后，输出电机所需频率。

4    实验结果

        目前，对实验室的一台立式注塑机进行节能改造，在该立式注塑机上安装了几组模具测试，实验结果如表1所示。实验表明，该控制系统节电率可达30%～60%。

5    结束语

        本文提出了一种基于ARMCortex的立式注塑机变频控制系统设计方案,该系统在实验环境运行稳定。实验表明，该控制系统能有效节能电能，且立式注塑机工艺参数与改造前基本相同，所生产产品的质量基本未受影响。