包裝機的數字信號存在問(wèn)題論文
1全自動(dòng)信封包裝機控制系統硬件設計
1.1電平轉換電路因為DSP的GPIO端口所能承受的電平為3.3V，而解碼芯片HCTL_2021和光耦的輸出信號為5V。為了保證DSP的GPIO端口能正常工作，需要接入電平轉換芯片SN74LVC4245A，該芯片的功能是將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(zhù)突出的表現。交流伺服電機的光電編碼器接入解碼芯片HCTL_2021。解碼芯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(shí)計數值加1。解碼以后的數據經(jīng)8位數據線(xiàn)，依次將高8位和低8位輸出至DSP。同時(shí)為了節省引腳，本系統設計時(shí)將4塊HCTL_2021并聯(lián)后接入DSP的GPIO端口。DSP通過(guò)軟件設置分時(shí)讀取解碼芯片的數據。
2全自動(dòng)信封包裝機控制系統軟件設計
2.1PID控制算法簡(jiǎn)介按偏差的比例、微分、積分進(jìn)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(shí)際輸出。PID控制器解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問(wèn)題，即系統的穩定性、快速性和準確性。調節PID的參數，可以實(shí)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為比例系數；ki=(kp×T)/Ti為積分系數；kd=(kp×Td)/T為微分系數；Ti為積分時(shí)間常數，Td為微分時(shí)間常數，T為積分周期。當進(jìn)行PID調節時(shí)，系統在運行初期由于偏差過(guò)大，會(huì )導致調節量u(k)過(guò)大，從而導致超調過(guò)大給系統帶來(lái)很大的沖擊。故需要對（1）式中的e(k)做一定的限幅處理。另外，當系統進(jìn)入穩定狀態(tài)以后，必然會(huì )產(chǎn)生一定的`穩態(tài)誤差，該誤差在一個(gè)很小的范圍內波動(dòng)，如果控制器反復對其進(jìn)行調節勢必造成系統的不穩定。所以，系統必須設定一個(gè)輸出允許帶e0，即當采集到的偏差|e(k)|<e0時(shí)，不改變控制量。PID控制程序流程圖如圖4所示。
2.2PID算法在系統中的實(shí)現由于本系統的同步控制由一主多從的模式來(lái)實(shí)現，所以，2、3、4號伺服電機的轉速和位置信號必須跟隨1號伺服電機的轉速和位置信號的變化。DSP中事件管理器模塊的定時(shí)器產(chǎn)生頻率可控的PWM波來(lái)控制伺服電機，PWM波的頻率控制電機的轉速，PWM波的個(gè)數控制電機的位置。設多伺服電機軸編碼器輸出脈沖數偏差值為e(k)，在k時(shí)刻電機的實(shí)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(chǎn)工藝要求可以設定允許偏差值的最大變化范圍△max，當e(k)≤eM時(shí)，系統不需要進(jìn)行調節控制，當e(k)>eM時(shí)，需要進(jìn)行調節控制。本系統以TMS320F2812為控制器實(shí)現PID控制。在軟件中設置定時(shí)中斷，在中斷程序中，計算各從伺服電機的轉速和位置并與1號伺服電機的轉速與位置信號進(jìn)行比較，求出偏差值e(k)。經(jīng)PID調節，對于偏差做出快速反應和補償。本系統的軟件處理采用增量式調節。（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(shí)刻1號伺服電機及i號電機軸的編碼器輸出脈沖采樣值；Kp是比例系數；Ki是積分系數；Ki=KpT∑i；Kd是微分系數，Kd=KpT∑d；T是采樣周期；∑i是積分時(shí)間常數；∑d是微分時(shí)間常數。
3系統設計中遇到的問(wèn)題及解決方法
1同步啟動(dòng)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(dòng)程序。由于伺服電機每次轉到其固有零點(diǎn)時(shí)會(huì )發(fā)出一條高電平信號Z，將該信號接入DSP的捕獲引腳。當DSP捕獲引腳捕捉到高電平跳變時(shí)，立即PWM波的輸出，使伺服電機停止在固有零點(diǎn)處。當4臺伺服電機都停止后，延遲一定時(shí)間，再同時(shí)啟動(dòng)4臺電機，這樣就實(shí)現了同步啟動(dòng)。2數據的分時(shí)讀取每臺伺服電機反饋的QEP編碼信號通過(guò)HCTL_2021解碼后都會(huì )產(chǎn)生8路數據輸出信號，4臺伺服電機將會(huì )產(chǎn)生高達32路的數據輸出信號，如果直接連到DSP的I/O，將會(huì )極大地占用DSP的I/O口，不利于DSP的充分利用。此時(shí)，DSP分時(shí)讀取4塊解碼器HCTL_2021的數據輸出信號成為有效的解決辦法。實(shí)驗中，伺服電機在運轉過(guò)程中每轉一圈將輸出2500個(gè)QEP編碼脈沖，將每一路編碼脈沖經(jīng)過(guò)光耦隔離后送入到HCTL_2021的信號輸入端進(jìn)行解碼。本系統在軟件上采用中斷方式分時(shí)讀取GPIO上4塊芯片的解碼結果。并將1號伺服電機的信息保存到變量date1中。2、3、4號伺服電機的信息分別存放在變量date2、date3、date4中。通過(guò)分時(shí)讀取，作者解決了DSP引腳不足的問(wèn)題，最大限度的利用了DSP的引腳資源。特別需要注意的是：由于數字電路的電平轉換需要一定的時(shí)間，所以在改變控制信號的電平后需要延遲一定時(shí)間，等其真正穩定。分時(shí)讀取程序的流程圖如圖6所示。
4實(shí)驗結果及結論
系統硬件和軟件調試完成后，作者選擇了韓國MECPAPION公司的交流伺服電機，并且依照廠(chǎng)方產(chǎn)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，并在負載條件下進(jìn)行了不同轉速的同步運行實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，當轉速小于500r/min時(shí)，系統穩定；當轉速大于500r/min小于900r/min時(shí)，系統將會(huì )出現稍微的誤差，但誤差產(chǎn)生后PID控制器將會(huì )及時(shí)糾正誤差；當轉速大于900r/min時(shí)，系統誤差嚴重，本系統不能及時(shí)糾正誤差，導致誤差隨時(shí)間積累，一定時(shí)間后將會(huì )超出控制范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(xué)院電氣工程學(xué)院
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