基于CAN总线的连铸结晶器振动控制装置的开发

摘要

结晶器是连铸生产工艺中最主要的生产设备。结晶器的振动形式以及如何控制结晶器的振动是获得高质量铸坯，促进连铸技术向前发展、更新换代的先决条件。传统的结晶器振动采用机械振动方式，这种方式应用了一段时间，但是逐渐被具有精度高、响应快、输出功率大、信号处理灵活以及易于实现各种参数反馈等优点的液压振动所取代。
　　 本文提出的基于CAN总线的连铸结晶器振动控制装置，采用液压振动，较之以前传统的机械振动有明显的优势，可以在线设定振动波形，修改振幅和频率，并可明显改善结晶器保护渣的润滑，有效的减少坯壳与结晶器壁之间的摩擦力，减小振痕深度，提高铸坯质量和金属收得率；该控制装置利用基于FPGA的SOPC嵌入式技术，完成了波形发生器、4个A/D控制器、2个D/A控制器、七段数码管显示驱动、VGA控制驱动等功能模块的硬件编程；在NiosⅡ软核处理器中，利用单神经元PID控制算法，通过改变自身的权重系数进行自学习、自组织，来适应连铸结晶器振动情况的变化，使结晶器的振动更加精确；装置本身作为CAN总线的智能节点可以上传振幅、频率以及拉速等现场信号，也可以接收上位机的指令以修改振动参数，接受上位机的监控。
　　 本设计在QuartusⅡ软件中编译并仿真了所有硬件模块的HDL描述，利用SOPC Builer开发工具生成一个完整的NiosⅡ系统，加入到系统的顶层设计文件中完成硬件部分设计。在NiosⅡ IDE环境下用C语言编写、编译了系统主程序，实现了对振动位移的闭环控制。最后，在Altera公司的CT-SOPC开发套件上扩充了部分相关模块，调试并验证了控制器的所有功能。

目录

文摘

英文文摘

引言

1 绪论

1.1 连铸技术的特点

1.2 国内外连铸技术发展概况

1.3 连铸结晶器介绍

1.4 本论文的主要内容

2 结晶器的振动

2.1 结晶器振动规律的演变

2.2 正弦速度规律

2.3 非正弦振动规律

3 结晶器振动控制系统

3.1 机械振动

3.2 液压伺服振动

3.2.1 液压伺服技术

3.2.2 液压伺服控制台

3.2.3 结晶器液压伺服控制系统

3.2.4 传感器的选型和工作原理

3.2.5 伺服阀的功能和特性

4 基于CAN总线的结晶器液压振动控制系统

4.1 CAN总线控制系统的构成

4.2 基于CAN总线的振动控制器

4.3 振动控制器节点与CAN总线的通信

5 结晶器振动控制器的开发

5.1 振动控制器总体方案设计

5.1.1 液压缸的位置检测与控制

5.1.2 液压缸的压力偏差检测及报警

5.1.3 拉速/频率的转换及显示

5.1.4 给定及实际振动波形的显示

5.1.5 振动控制算法

5.1.6 与上位机的实时通信

5.2 控制器硬件设计与调试

5.2.1 主要芯片选择与介绍

5.2.2 控制器硬件电路设计

5.2.3 PLD设计软件Quartus Ⅱ及Sopc Builder简介

5.2.4 FPGA中功能模块的HDL编程实现

5.2.5 Sopc Builder组件的添加及顶层文件的实现

5.3 控制器软件设计与调试

5.3.1 Nios Ⅱ软核处理器及Nios Ⅱ系统

5.3.2 Nios ⅡIDE开发环境及C语言编程

5.3.3 控制器软件编程与调试

结论

参考文献

附录A：硬件电路原理图

附录B：硬件电路原理图

附录C：各功能模块HDL编程及主程序

在学研究成果

致谢