包裝機(jī)的數(shù)字信號存在問題論文
1全自動信封包裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A，該芯片的功能是將5V電平轉(zhuǎn)化3.3V電平。
1.2解碼電路作為HCTL_2020的改良版，HCTL_2021在穩(wěn)定性和抗干擾方面都有著突出的表現(xiàn)。交流伺服電機(jī)的光電編碼器接入解碼芯片HCTL_2021。解碼芯片內(nèi)部具有計數(shù)功能，當(dāng)HCTL_2021捕捉到光電編碼器輸出正電平時計數(shù)值加1。解碼以后的數(shù)據(jù)經(jīng)8位數(shù)據(jù)線，依次將高8位和低8位輸出至DSP。同時為了節(jié)省引腳，本系統(tǒng)設(shè)計時將4塊HCTL_2021并聯(lián)后接入DSP的GPIO端口。DSP通過軟件設(shè)置分時讀取解碼芯片的數(shù)據(jù)。
2全自動信封包裝機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1PID控制算法簡介按偏差的比例、微分、積分進(jìn)行控制的控制器叫PID控制器。數(shù)字PID控制器的原理框圖如圖3所示。其中，r(k)為系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶負(fù)載能力和抗干擾能力。Kp為比例系數(shù)；ki=(kp×T)/Ti為積分系數(shù)；kd=(kp×Td)/T為微分系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，T為積分周期。當(dāng)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)在運(yùn)行初期由于偏差過大，會導(dǎo)致調(diào)節(jié)量u(k)過大，從而導(dǎo)致超調(diào)過大給系統(tǒng)帶來很大的沖擊。故需要對（1）式中的e(k)做一定的限幅處理。另外，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)以后，必然會產(chǎn)生一定的`穩(wěn)態(tài)誤差，該誤差在一個很小的范圍內(nèi)波動，如果控制器反復(fù)對其進(jìn)行調(diào)節(jié)勢必造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，系統(tǒng)必須設(shè)定一個輸出允許帶e0，即當(dāng)采集到的偏差|e(k)|<e0時，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(tǒng)中的實現(xiàn)由于本系統(tǒng)的同步控制由一主多從的模式來實現(xiàn)，所以，2、3、4號伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信號必須跟隨1號伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信號的變化。DSP中事件管理器模塊的定時器產(chǎn)生頻率可控的PWM波來控制伺服電機(jī)，PWM波的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，PWM波的個數(shù)控制電機(jī)的位置。設(shè)多伺服電機(jī)軸編碼器輸出脈沖數(shù)偏差值為e(k)，在k時刻電機(jī)的實際反饋轉(zhuǎn)速分別為u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服電機(jī)軸同步速度偏差值。根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求可以設(shè)定允許偏差值的最大變化范圍△max，當(dāng)e(k)≤eM時，系統(tǒng)不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，當(dāng)e(k)>eM時，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。本系統(tǒng)以TMS320F2812為控制器實現(xiàn)PID控制。在軟件中設(shè)置定時中斷，在中斷程序中，計算各從伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置并與1號伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置信號進(jìn)行比較，求出偏差值e(k)。經(jīng)PID調(diào)節(jié)，對于偏差做出快速反應(yīng)和補(bǔ)償。本系統(tǒng)的軟件處理采用增量式調(diào)節(jié)。（3）式中，△u(k)為1號伺服電機(jī)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(jī)及i號電機(jī)軸的編碼器輸出脈沖采樣值；Kp是比例系數(shù)；Ki是積分系數(shù)；Ki=KpT∑i；Kd是微分系數(shù)，Kd=KpT∑d；T是采樣周期；∑i是積分時間常數(shù)；∑d是微分時間常數(shù)。
3系統(tǒng)設(shè)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(jī)的位置相同，本系統(tǒng)設(shè)計了同步啟動程序。由于伺服電機(jī)每次轉(zhuǎn)到其固有零點時會發(fā)出一條高電平信號Z，將該信號接入DSP的捕獲引腳。當(dāng)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(jī)停止在固有零點處。當(dāng)4臺伺服電機(jī)都停止后，延遲一定時間，再同時啟動4臺電機(jī)，這樣就實現(xiàn)了同步啟動。2數(shù)據(jù)的分時讀取每臺伺服電機(jī)反饋的QEP編碼信號通過HCTL_2021解碼后都會產(chǎn)生8路數(shù)據(jù)輸出信號，4臺伺服電機(jī)將會產(chǎn)生高達(dá)32路的數(shù)據(jù)輸出信號，如果直接連到DSP的I/O，將會極大地占用DSP的I/O口，不利于DSP的充分利用。此時，DSP分時讀取4塊解碼器HCTL_2021的數(shù)據(jù)輸出信號成為有效的解決辦法。實驗中，伺服電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中每轉(zhuǎn)一圈將輸出2500個QEP編碼脈沖，將每一路編碼脈沖經(jīng)過光耦隔離后送入到HCTL_2021的信號輸入端進(jìn)行解碼。本系統(tǒng)在軟件上采用中斷方式分時讀取GPIO上4塊芯片的解碼結(jié)果。并將1號伺服電機(jī)的信息保存到變量date1中。2、3、4號伺服電機(jī)的信息分別存放在變量date2、date3、date4中。通過分時讀取，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：由于數(shù)字電路的電平轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在改變控制信號的電平后需要延遲一定時間，等其真正穩(wěn)定。分時讀取程序的流程圖如圖6所示。
4實驗結(jié)果及結(jié)論
系統(tǒng)硬件和軟件調(diào)試完成后，作者選擇了韓國MECPAPION公司的交流伺服電機(jī)，并且依照廠方產(chǎn)品設(shè)計要求確定了四臺伺服電機(jī)的型號分別為APM-SE12MDK、APM-SE09MDK、APM-SE09MDK、APM-SE06MDK，并在負(fù)載條件下進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速的同步運(yùn)行實驗。實驗結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于500r/min時，系統(tǒng)穩(wěn)定；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于500r/min小于900r/min時，系統(tǒng)將會出現(xiàn)稍微的誤差，但誤差產(chǎn)生后PID控制器將會及時糾正誤差；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于900r/min時，系統(tǒng)誤差嚴(yán)重，本系統(tǒng)不能及時糾正誤差，導(dǎo)致誤差隨時間積累，一定時間后將會超出控制范圍而導(dǎo)致信封包裝機(jī)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(jī)。
作者：朱家驥 單位：鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院
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