線路板層壓機壓力伺服系統設計與仿真分析

王海明,嚴建文,,劉 瓊,,盧洪濤,蘇 昱

(1.安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232000;2.合肥合鍛智能制造股份有限公司,安徽 合肥 230601)

PCB是現代電子行業不可或缺的原材料,PCB使用的基材CCL覆銅板以及多層PCB的壓合需要使用到專用的層壓機。層壓機的層壓精度和層壓工藝對于線路板質量起著決定性作用[1]。PCB基板壓制過程的壓力波動不大于0.4%。線路板層壓機液壓伺服系統壓力控制的難點是消除負載變化對于系統的影響。液壓系統非線性強,常規PID控制應用廣泛,但難以適應線路板層壓機大范圍調壓工況[2]。

本文對線路板層壓機液壓系統進行分析,針對層壓機壓制環節液壓系統壓力控制,在壓力閉環控制中引入分離積分和速度補償復合控制策略[3-4],利用仿真對控制方案進行了驗證,實現了分級目標壓力曲線下較好的跟蹤效果。

1 系統組成

線路板層壓機屬于多層上壓式壓機,液壓回路由低壓大流量液壓泵和高壓小流量液壓泵聯合驅動,液壓工作原理如圖1所示。

1.低壓泵,2.高壓泵,3.單向閥,4.濾油器,5.二位四通電磁閥,6.插裝閥,7.溢流閥,8.液控單向閥,9.節流閥,10.柱塞缸,11.電磁球閥,12.三位四通電磁閥,13.伺服閥,14.冷卻器

層壓機工作過程分為快上、慢上、壓制、泄壓和回程5個步驟。層壓工序啟動時,進入快上步驟,電磁球閥11和二位四通電磁閥5得電,三位四通電磁閥12左側得電,高壓泵與低壓泵液壓回路接通,兩泵同時供油,柱塞缸驅動層壓機滑塊快速上行?；瑝K位移到達慢速行程位時進入慢上步驟。此時二位四通閥5失電,切除低壓大流量液壓泵液壓回路,高壓小流量液壓泵單獨工作,滑塊運動速度減慢。隨著滑塊上行,熱壓板接近閉合,液壓系統壓力上升,達到設定壓力值時進入壓制環節。熱層壓機在壓制環節依據熱壓工藝采用多級分段加壓、保壓、降壓控制[5],泄壓時三位四通電磁閥12失電,切斷高壓泵供油,由伺服閥控制系統壓力穩步下降。系統壓力降至設定值時進入回程步驟?；爻汰h節三位四通電磁閥12右側得電接通,液控單向閥8打開,油液回流入油箱,滑塊受重力作用回程復位。

2 控制原理

2.1 控制策略

常規閥控液壓伺服系統多采用PID控制策略。依賴偏差進行的閉環反饋控制存在一定的“滯后性”[6],液壓系統非線性強,固定參數的PID控制在小范圍調壓工況下效果較好。層壓機壓制過程中調壓幅值變動接近20 MPa,工況變動范圍大。PID參數超出一定范圍后還會引起系統振蕩等問題,影響系統穩定性,難以通過調節比例-積分-微分系數取得良好的控制效果。

為抑制超調、減小偏差,在壓力閉環控制的基礎上,加入分離積分和速度前饋補償控制。給定壓力信號的初始階段,系統偏差較大,固定的積分環節會過度積累引起超調,對PID控制設置分離積分可有效減少超調[7],加入速度前饋模塊對分離積分閉環反饋的控制量進行補償得到復合控制模型,系統框架如圖2所示。其中,速度前饋補償信號相對值αv由期望壓力曲線pd和滑塊運行速度v計算而來。pL為柱塞缸負載壓力,ep為期望壓力與實際壓力的偏差,kv為補償信號相對值增益,ud為閉環反饋控制信號,uv為前饋補償控制信號,u為伺服閥控制信號。

圖2 速度補償與積分分離復合控制框架

2.2 控制器設計

設定向上為正方向。忽略油液泄露和油液壓縮,液壓缸流量計算如公式(1)。

QL=vA,

(1)

式中:QL為柱塞缸負載流量;A為柱塞缸活塞面積。

高壓油泵在設定轉速下的油液排量QP為定值?？紤]到液壓缸為柱塞缸,當負載壓力工作在設定范圍,溢流閥不工作時,液壓系統流量關系如式(2)。

QP=QV+QL,

(2)

式中:QV為伺服閥實際流量。

設α(-1≤α≤1)為伺服閥控制信號相對值,伺服閥實際單邊流量Q計算如公式(3)所示。

(3)

式中:Δpn為伺服閥單邊額定壓差;Qn為伺服閥額定壓差下的額定流量;Δp為伺服閥實際壓差。

閥控柱塞缸液壓回路中,伺服閥承擔了絕大部分壓降,忽略濾油器等器件壓降,伺服閥壓差Δp近似等于實際壓力pL。使用期望壓力信號pd代替實際壓力pL。伺服閥總流量QV為閥門A口與B口流量總和。伺服閥開口速度補償信號相對值αv計算如式(4)所示。

(4)

分離積分通過對PID積分環節設置控制系數β實現,當偏差不高于設定閾值ε時啟用積分環節,當偏差超過設定閾值ε時關閉積分環節。系數β表達式如式(5)。

(5)

由式(4)、(5)可得到復合控制輸出信號u的表達式如式(6)。

(6)

式中:kp、ki分別為比例和積分系數。

3 仿真與分析

使用AMEsim軟件搭建的簡化閥控柱塞缸液壓系統模型如圖3所示。利用AMEsim元件庫中的活塞模塊、質量塊和容積腔搭建柱塞缸模型[8]。柱塞缸設置在層壓機底部,工作時柱塞缸推動滑塊上行運動?；钊麠U桿徑設為0,質量塊角度設為-90°,模擬柱塞桿、滑塊等器件的重力作用。使用彈性負載和阻尼模塊搭建負載模型,模擬實際壓制中的負載變化。定量泵輸出油液進入柱塞缸,通過電信號控制伺服閥閥芯位移來控制油液回流,進而控制柱塞缸入口壓力。

圖3 閥控系統AMEsim仿真模型

基于AMEsim閥控液壓系統模型,利用Simulink中的S-Function模塊搭建聯合仿真接口[9]。分別搭建常規PID壓力控制模型和復合控制算法模型,復合控制Simulink模型如圖4所示。

圖4 復合控制Simulink模型

設定仿真步長0.01 s,仿真總時長400 s,給定分段壓力信號模擬線路板層壓機熱壓工藝期望壓力信號。復合控制和常規PID控制策略壓力曲線如圖5所示。兩種控制策略壓力曲線與目標曲線的偏差如圖6所示。

圖5 壓力控制曲線

圖6 偏差曲線

由圖5可知,對于給定的目標壓力曲線,PID控制在信號穩定時具有較好的跟隨性,但在斜坡信號與保壓信號切換時,會引起較大的波動,系統進入穩態的調節時間較長。由圖6可知,升壓信號切換為140 bar保壓信號時,PID控制超調為1.147 bar,超出設計要求的0.4%的控制精度,偏差曲線波動較大。復合控制在切換為140 bar保壓信號時壓力超調為0.087 bar,壓力進入穩態的調節時間更短,偏差整體較為平穩,不同期望壓力下均具有較好的跟隨性能。

基于設計的仿真過程,在280 s時于負載端引入10 000 N的負載突變信號,比較PID控制和復合控制效果,仿真結果如圖7所示。

圖7 引入干擾信號后的局部壓力曲線

由圖7中曲線可知,引入負載突變信號后,復合控制下的系統壓力幅度變化相比于PID控制顯著減小,且能在0.7 s內恢復穩定,抗干擾能力更強,經速度補償后的系統穩態誤差減小,能夠滿足線路板層壓機工作要求,證明了復合控制模型的合理性。

4 結語

本文針對線路板層壓機液壓系統進行研究,分析了高低壓雙泵液壓系統工作原理,建立了層壓機閥控液壓系統壓制環節仿真模型,基于PID控制構建了分離積分和速度補償復合控制策略。仿真結果表明,相比于傳統PID控制,復合控制對于層壓機壓制環節不同工況下的升壓、保壓和降壓階段,均具有較好的跟蹤性能和控制精度,在斜坡信號與保壓信號切換時偏差波動幅值減少80%以上。引入干擾信號后,復合控制策略相較于PID控制壓力波動更小,調節時間更短,滿足線路板層壓機設計要求。