包裝機的數字訊號存在問題論文
包裝機的數字訊號存在問題論文
1全自動信封包裝機控制系統硬體設計
1.1電平轉換電路因為DSP的GPIO埠所能承受的電平為3.3V，而解碼晶片HCTL_2021和光耦的輸出訊號為5V。為了保證DSP的GPIO埠能正常工作，需要接入電平轉換晶片SN74LVC4245A，該晶片的功能是將5V電平轉化3.3V電平。
1.2解碼電路作為HCTL_2020的改良版，HCTL_2021在穩定性和抗干擾方面都有著突出的表現。交流伺服電機的光電編碼器接入解碼晶片HCTL_2021。解碼晶片內部具有計數功能，當HCTL_2021捕捉到光電編碼器輸出正電平時計數值加1。解碼以後的資料經8位資料線，依次將高8位和低8位輸出至DSP。同時為了節省引腳，本系統設計時將4塊HCTL_2021並聯後接入DSP的GPIO埠。DSP透過軟體設定分時讀取解碼晶片的資料。
2全自動信封包裝機控制系統軟體設計
2.1PID控制演算法簡介按偏差的比例、微分、積分進行控制的控制器叫PID控制器。數字PID控制器的原理框圖如圖3所示。其中，r(k)為系統給定值，e(k)為誤差，u(k)為控制量，c(k)實際輸出。PID控制器解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，即系統的穩定性、快速性和準確性。調節PID的引數，可以實現在系統穩定的前提下，兼顧系統的帶負載能力和抗干擾能力。Kp為比例係數；ki=(kp×T)/Ti為積分系數；kd=(kp×Td)/T為微分系數；Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，T為積分週期。當進行PID調節時，系統在執行初期由於偏差過大，會導致調節量u(k)過大，從而導致超調過大給系統帶來很大的衝擊。故需要對（1）式中的e(k)做一定的限幅處理。另外，當系統進入穩定狀態以後，必然會產生一定的`穩態誤差，該誤差在一個很小的範圍內波動，如果控制器反覆對其進行調節勢必造成系統的不穩定。所以，系統必須設定一個輸出允許帶e0，即當採集到的偏差|e(k)|<e0時，不改變控制量。PID控制程式流程圖如圖4所示。
2.2PID演算法在系統中的實現由於本系統的同步控制由一主多從的模式來實現，所以，2、3、4號伺服電機的轉速和位置訊號必須跟隨1號伺服電機的轉速和位置訊號的變化。DSP中事件管理器模組的定時器產生頻率可控的PWM波來控制伺服電機，PWM波的頻率控制電機的轉速，PWM波的個數控制電機的位置。設多伺服電機軸編碼器輸出脈衝數偏差值為e(k)，在k時刻電機的實際反饋轉速分別為u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服電機軸同步速度偏差值。根據不同的生產工藝要求可以設定允許偏差值的最大變化範圍△max，當e(k)≤eM時，系統不需要進行調節控制，當e(k)>eM時，需要進行調節控制。本系統以TMS320F2812為控制器實現PID控制。在軟體中設定定時中斷，在中斷程式中，計算各從伺服電機的轉速和位置並與1號伺服電機的轉速與位置訊號進行比較，求出偏差值e(k)。經PID調節，對於偏差做出快速反應和補償。本系統的軟體處理採用增量式調節。（3）式中，△u(k)為1號伺服電機控制量增量，其中i=2，3，4；u1(k)、ui(k)、ui(k-1)、ui(k-2)分別是k、k-1、k-2時刻1號伺服電機及i號電機軸的編碼器輸出脈衝取樣值；Kp是比例係數；Ki是積分系數；Ki=KpT∑i；Kd是微分系數，Kd=KpT∑d；T是取樣週期；∑i是積分時間常數；∑d是微分時間常數。
3系統設計中遇到的問題及解決方法
1同步啟動為了保證4臺伺服電機的位置相同，本系統設計了同步啟動程式。由於伺服電機每次轉到其固有零點時會發出一條高電平訊號Z，將該訊號接入DSP的捕獲引腳。當DSP捕獲引腳捕捉到高電平跳變時，立即PWM波的輸出，使伺服電機停止在固有零點處。當4臺伺服電機都停止後，延遲一定時間，再同時啟動4臺電機，這樣就實現了同步啟動。2資料的分時讀取每臺伺服電機反饋的QEP編碼訊號透過HCTL_2021解碼後都會產生8路資料輸出訊號，4臺伺服電機將會產生高達32路的資料輸出訊號，如果直接連到DSP的I/O，將會極大地佔用DSP的I/O口，不利於DSP的充分利用。此時，DSP分時讀取4塊解碼器HCTL_2021的資料輸出訊號成為有效的解決辦法。實驗中，伺服電機在運轉過程中每轉一圈將輸出2500個QEP編碼脈衝，將每一路編碼脈衝經過光耦隔離後送入到HCTL_2021的訊號輸入端進行解碼。本系統在軟體上採用中斷方式分時讀取GPIO上4塊晶片的解碼結果。並將1號伺服電機的資訊儲存到變數date1中。2、3、4號伺服電機的資訊分別存放在變數date2、date3、date4中。透過分時讀取，作者解決了DSP引腳不足的問題，最大限度的利用了DSP的引腳資源。特別需要注意的是：由於數位電路的電平轉換需要一定的時間，所以在改變控制訊號的電平後需要延遲一定時間，等其真正穩定。分時讀取程式的流程圖如圖6所示。
4實驗結果及結論
系統硬體和軟體除錯完成後，作者選擇了韓國MECPAPION公司的交流伺服電機，並且依照廠方產品設計要求確定了四臺伺服電機的型號分別為APM-SE12MDK、APM-SE09MDK、APM-SE09MDK、APM-SE06MDK，並在負載條件下進行了不同轉速的同步執行實驗。實驗結果表明，當轉速小於500r/min時，系統穩定；當轉速大於500r/min小於900r/min時，系統將會出現稍微的誤差，但誤差產生後PID控制器將會及時糾正誤差；當轉速大於900r/min時，系統誤差嚴重，本系統不能及時糾正誤差，導致誤差隨時間積累，一定時間後將會超出控制範圍而導致信封包裝機不能夠正常工作。在這種情況下，需要使用更高頻率的DSP或者使用更大慣量比的伺服電機。
作者：朱家驥 單位：鹽城工學院電氣工程學院