劃膜儀試紙卷曲恒線速度控制系統(tǒng)研究

摘要：針對劃膜儀對診斷試紙劃線不均勻的問題，考慮卷軸半徑變化對線速度的影響，研究設(shè)計一套在卷曲過程中恒線速度精確控制的系統(tǒng)。采用光電編碼器檢測小轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，與設(shè)定的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差經(jīng)過單片機的處理，調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率，從而改變伺服電機的轉(zhuǎn)速，保汪線速度的恒定。實驗結(jié)果表明：控制系統(tǒng)能夠?qū)υ嚰埦砬木€速度精確控制，性能穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)勻速劃線的效果，在現(xiàn)代化快速檢測中有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：恒線速度控制；劃膜儀；MPC82G516單片機；ACS606伺服電機驅(qū)動器

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）03-0069-04

0 引言

隨著快速診斷試紙技術(shù)的快速發(fā)展，劃膜儀作為生產(chǎn)快速檢測試紙的專業(yè)設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在生產(chǎn)線上，快速檢測試紙條的勻速劃線和卷取是一道非常重要的工序，勻速卷曲對試紙條劃線至關(guān)重要。在開卷一卷取系統(tǒng)中，卷取直徑會隨著卷取過程變大，若采用恒轉(zhuǎn)速電機控制，其線速度也會逐漸變大。而用戶對試紙產(chǎn)品的卷曲質(zhì)量要求越來越高，卷取機恒線速度的實現(xiàn)直接影響試紙劃線的質(zhì)量。國產(chǎn)卷曲機與造紙機一樣，長期停留在窄幅、慢速、手控的水平上。卷紙在從副臂轉(zhuǎn)到主臂的過程，以及引紙和換卷，大部分靠手動完成，勞動強度大，安全性較差，而且卷曲的紙外緊內(nèi)松，易形成彎曲的形狀，造成卷曲試紙質(zhì)量下降或報廢。傳統(tǒng)的卷曲機恒線速度控制裝置為模擬系統(tǒng)，控制精度低，而且由于調(diào)試不便，實際難以達(dá)到恒線速度。而國外卷曲機價格昂貴，并且在試紙條在升降速的過程中，更需要保持線速度的恒定，容易出現(xiàn)劃線不均勻等現(xiàn)象。因此，需設(shè)計恒線速度控制系統(tǒng)，滿足試紙生產(chǎn)的要求。本文針對傳統(tǒng)卷曲機的不足，設(shè)計了用單片機、伺服電機為核心的伺服控制系統(tǒng)，與前者相比，系統(tǒng)集成度高、硬件電路簡單、可靠性和適應(yīng)性強，實現(xiàn)了試紙恒線速度卷曲，并且價格適中，在試紙卷曲過程中有較高的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計方法和實施方案

劃膜儀的恒線速度控制系統(tǒng)采用位置精度準(zhǔn)確的直流伺服電機，帶動收卷裝置，在卷曲過程中，卷曲半徑不斷增大，伺服電機的轉(zhuǎn)速必須逐漸減小，使線速度保持勻速。光電編碼器時刻檢測小轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速并反饋到單片機中，單片機進(jìn)行PID控制，調(diào)節(jié)輸出脈沖的頻率，控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，形成閉合回路。

檢測試紙在卷曲平臺上由注射泵進(jìn)行劃線，儀器通過液晶顯示屏進(jìn)行操作，伺服電機的轉(zhuǎn)速以及檢測試紙的線速度可由鍵盤輸入設(shè)定。線速度的大小可以由液晶顯示屏顯示。

1.2 系統(tǒng)控制原理

控制系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分。劃膜儀卷曲操作平臺如圖1所示。

診斷試紙由右側(cè)B放卷，左側(cè)A收卷，A轉(zhuǎn)軸連接雷賽伺服電機，小轉(zhuǎn)軸連接光電編碼器，劃膜儀在操作平臺上對試紙進(jìn)行劃線，卷取過程為恒線速度控制過程。伺服電機驅(qū)動器用于驅(qū)動伺服電機，其通過單片機產(chǎn)生脈沖的頻率來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，從而帶動收卷裝置的卷曲。較小的轉(zhuǎn)軸通過光電碼盤向單片機反饋小轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，單片機控制輸出脈沖的頻率，調(diào)節(jié)伺服電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒線速度的控制。按鍵的設(shè)計用來實現(xiàn)劃膜速度的控制以及系統(tǒng)的開啟和停止；而液晶顯示電路實現(xiàn)系統(tǒng)菜單和參數(shù)的顯示。

劃膜儀控制系統(tǒng)閉環(huán)方框圖如圖2所示，R為收卷裝置的半徑，r為小轉(zhuǎn)軸的半徑，n1為伺服電機的轉(zhuǎn)速，n2為小轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；隨著卷曲半徑R逐漸增大，若伺服電機的轉(zhuǎn)速保持不變，則收卷裝置的線速度也隨之增大，要保持線速度恒定，必須保持收卷裝置的線速度和小轉(zhuǎn)軸的線速度大小相同，即：，由于r不變，所以小轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n2可以實時檢測出來，將n2作為設(shè)定量，控制其保持不變，從而線速度恒定。

圖中V_xp為設(shè)定線速度，n_xp為設(shè)定轉(zhuǎn)速，V為瞬時線速度；由于v=2πrn₂，所以n_xp=v_xp/2πr。系統(tǒng)的前向通道通過PID控制調(diào)節(jié)伺服電機的輸入，伺服電機的輸出為nl，則收卷裝置的線速度v=2πRn₁；通過光電碼盤每隔一定時間測量小轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n2，與系統(tǒng)設(shè)定的卷取轉(zhuǎn)速n_xp比較，得到轉(zhuǎn)速偏差；通過PID調(diào)節(jié)控制產(chǎn)生脈沖頻率，按新的頻率f發(fā)給伺服電機控制信號，糾正一次轉(zhuǎn)度偏差，形成閉合回路，再通過PID控制n2緊跟隨n_xp，從而使得線速度恒定。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的卷曲控制系統(tǒng)由劃膜卷曲機操作平臺、單片機、光電碼盤、伺服電機及其驅(qū)動模塊、液晶顯示、鍵盤6部分組成。系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

根據(jù)功能需求，系統(tǒng)的硬件分為以下4個模塊：單片機控制模塊、伺服電機及驅(qū)動模塊、信號采集和處理模塊、鍵盤輸入和液晶顯示模塊。

2.1 單片機控制模塊

在系統(tǒng)中，控制器采用笙泉開發(fā)板M-508U，其單片機的型號為MPC82G516，除了8051MCU的標(biāo)準(zhǔn)功能外，許多系統(tǒng)級功能已經(jīng)集到MPC82G516A內(nèi)部，功能有1024字節(jié)的擴展隨機存儲，一個額外的1/0口，PCA，SPI，10位模傲轉(zhuǎn)換器，第二UART接口，輔助鍵盤中斷，一個看門狗定時器等。本系統(tǒng)采用的伺服電機分辨率是4000線，即電機每轉(zhuǎn)動一圈需要4000個脈沖，則伺服電機轉(zhuǎn)速的計算公式為

n=（60f/4000）r/min

（l）

所以欲設(shè)計伺服電機的轉(zhuǎn)速為10r/min，所需單片機產(chǎn)生脈沖的頻率應(yīng)該是：

f=4000n/60=666Hz

（2）

即單片機每秒鐘產(chǎn)生666個脈沖，伺服電機的轉(zhuǎn)速為10r/min。單片機脈沖信號的產(chǎn)生是由可編程計數(shù)陣列（PCA）實現(xiàn)的。本系統(tǒng)PCA中的定時器O溢出作為時基信號輸入源，工作方式采用捕捉/比較模塊的8位PWM模式，由于需要輸出方波，將PWM的占空比設(shè)為50%，輸出脈沖的頻率由定時器O的溢出頻率來決定。單片機通過輸出不同頻率的脈沖控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。

2.2 伺服電機及驅(qū)動模塊

為了滿足對控制系統(tǒng)恒線速度的控制，系統(tǒng)采用直流伺服驅(qū)動電機，相當(dāng)于整個恒線速度控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分；能實現(xiàn)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，且抗過載能力強，電機加減速的動態(tài)響應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)，能精確快速地實現(xiàn)系統(tǒng)控制的要求。本系統(tǒng)采用雷賽BLM57090-1OOO直流無刷伺服電機，配套ACS606全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器，可以達(dá)到交流伺服級的性能，該伺服電機本身具有編碼器，所以伺服電機的轉(zhuǎn)速可以通過編碼器實時檢測到單片機中。ACS606與單片機的控制信號接線圖如圖4所示。

單片機輸出脈沖信號，經(jīng)過ACS606伺服電機驅(qū)動器，將輸出信號放大到可以驅(qū)動伺服電機信號，從而驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動。

2.3 信號采集和處理模塊

以單片機為核心控制器的信息處理和過程控制，小轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速檢測是重要組成部分，為了達(dá)到控制精度，選擇精度高的光電碼盤進(jìn)行小轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速信號的檢測和采集，并將采集到的信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，送到單片機進(jìn)行處理，進(jìn)而控制伺服電機其硬件原理圖如圖5所示。

本系統(tǒng)采用HKT06-001系列光電碼盤，施密特觸發(fā)器的作用是將輸入的電平信號進(jìn)行整形，接單片機的中斷口INTO，在中斷程序中對脈沖信號進(jìn)行運算。

2.4 鍵盤輸入和液晶顯示模塊

本系統(tǒng)使用7個鍵控制，其中Kl-K5控制液晶顯示：K1為菜單鍵，K2為“+”鍵，K3為“一”鍵，K4為光標(biāo)鍵，K5為退出鍵；K6和K7分別為伺服電機的運行鍵和停止鍵。使用矩陣式鍵盤設(shè)定伺服電機的開啟、停止和轉(zhuǎn)速。

本系統(tǒng)采用金鵬12864液晶，數(shù)據(jù)通過并行模式進(jìn)行傳輸，鍵盤的配合實現(xiàn)系統(tǒng)菜單和參數(shù)的顯示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的控制軟件程序包括初始化模塊、自診斷模塊調(diào)試模塊、按鍵處理模塊、液晶顯示模塊、電機驅(qū)動及控制模塊。初始化模塊包括液晶初始化和全局參數(shù)初始化。自診斷模塊判斷設(shè)備運行是否正常，診斷的內(nèi)容有伺服電機能否轉(zhuǎn)動，液晶是否正常忙碌等。鍵盤處理模塊完成各種輸入?yún)?shù)的處理和相應(yīng)控制命令的執(zhí)行。液晶顯示用于實時顯示系統(tǒng)平臺的各種參數(shù)和運行狀態(tài)，控制不同顯示界面之間的切換。電機驅(qū)動及控制模塊用于完成驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動、小轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速檢測及電機恒線速度的控制。

系統(tǒng)主程序的流程圖如圖6所示。上電后系統(tǒng)復(fù)位，初始化系統(tǒng)中的參數(shù)、命令以及相關(guān)存儲器的初始狀態(tài)。系統(tǒng)自診斷模塊檢測設(shè)備是否能正常工作，若不正常，則系統(tǒng)強制復(fù)位。完成初始化和自診斷正常后，在液晶顯示“Readv”并等待鍵掃描。若無按鍵按下，則繼續(xù)等待；若有相應(yīng)液晶的按鍵按下時，顯示菜單界面，主界面顯示單片機產(chǎn)生脈沖的頻率和伺服電機的轉(zhuǎn)速，并等待液晶功能鍵的掃描。當(dāng)有菜單鍵按下的時候，執(zhí)行相應(yīng)的功能。

當(dāng)運行鍵按下時，單片機啟動定時器0；當(dāng)溢出產(chǎn)生中斷時電平翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖，從而通過伺服電機驅(qū)動器帶動伺服電機的轉(zhuǎn)動，同時光電編碼器執(zhí)行小轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速檢測，并且反饋到單片機。單片機執(zhí)行PID控制算法，使卷曲系統(tǒng)恒線速度控制。

4 系統(tǒng)調(diào)試

組裝完成的系統(tǒng)如圖7所示。按照控制系統(tǒng)原理圖，借助Matlab中的Simulink對小轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速精確控制進(jìn)行仿真，分別雙擊3個“Gain”元件，在其對話框中加入相應(yīng)的Kp、Ki和Kd的數(shù)值，即構(gòu)成PID控制器，直流伺服電機的s函數(shù)是：，系統(tǒng)構(gòu)建的階躍輸入響應(yīng)仿真圖如圖8所示。

當(dāng)小轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n2設(shè)定為10r/min，小轉(zhuǎn)軸的半徑r為5mm，收卷裝置的半徑R為40mm，令Ki=0，Kd=0，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運行然后由大到小改變K。，使擾動信號作階躍變化，觀察仿真結(jié)果，直到輸出得到一個持續(xù)穩(wěn)定的震蕩。令Ki=Kp×0.83，然后由小到大變化，觀察直到輸出一個持續(xù)穩(wěn)定的震蕩。最后引入適當(dāng)?shù)腒d，不斷調(diào)節(jié)，直到輸出結(jié)果穩(wěn)定，小轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變化基本控制在3%以內(nèi)，系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)調(diào)試結(jié)果如表l所示。

通過觀察得出該系統(tǒng)比較合適的P、I、D三者的參數(shù)值為：Kp=5，Ki=1.2，Kd=0.3。

參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)果顯示，系統(tǒng)實現(xiàn)了恒線速度控制的要求。將系統(tǒng)的卷曲裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機調(diào)試，首先將系統(tǒng)的程序燒寫到MPC82G516單片機中，待伺服電機運行平穩(wěn)后，對檢測試紙開始卷曲，通過液晶屏顯示，卷曲的線速度保持在一個恒定的范圍內(nèi)，變化幅度很小。因此此系統(tǒng)滿足控制要求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用MPC82G516單片機開發(fā)板作為主控制器，將伺服電機的轉(zhuǎn)速和卷曲半徑緊密結(jié)合起來，通過程序設(shè)計進(jìn)行軟件仿真完成伺服電機的閉環(huán)控制，達(dá)到恒線速度控制的要求。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)可以彌補現(xiàn)在卷曲裝置的缺點和不足，避免了劃線不均勻的現(xiàn)象，工作可靠性及卷曲試紙質(zhì)量得到提高，并且可以根據(jù)需要在實際卷曲過程中調(diào)節(jié)卷曲的快慢，自動化程度高，調(diào)試結(jié)果表明了該系統(tǒng)具有可行性，并具有一定的應(yīng)用前景。