三伺服包裝機(jī)傳動(dòng)部件的控制方案研究

宋慧　劉娜　孟凡芳　張衛(wèi)星

【摘 要】三伺服包裝機(jī)是目前食品、物料包裝行業(yè)中最重要的裝備之一，其控制效果和可靠性對(duì)于包裝工序的高效率完成有著關(guān)鍵的影響。針對(duì)三伺服包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制要求，采用基于DSP56800的對(duì)象控制條件，確立下位機(jī)具體控制方案，包括抗干擾設(shè)計(jì)、主循環(huán)流程設(shè)計(jì)、工作狀態(tài)控制以及停車控制等，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)了各個(gè)工作環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)控制。

【關(guān)鍵詞】三伺服包裝機(jī)；控制系統(tǒng)；DSP；抗干擾

0 引言

隨著機(jī)械生產(chǎn)及電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外包裝機(jī)行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，智能控制水平的提升使得包裝機(jī)迎來(lái)了非常好的發(fā)展機(jī)遇[1]。目前，性能優(yōu)良的三伺服包裝機(jī)在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其集合了新傳動(dòng)技術(shù)和新控制手段，不但能夠保證包裝機(jī)的高效工作，而且實(shí)現(xiàn)了加工裝備性價(jià)比的大幅度提升。國(guó)內(nèi)三伺服包裝機(jī)的飛速發(fā)展主要起源和得益于國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)，明顯地縮小了國(guó)內(nèi)外包裝行業(yè)自動(dòng)化控制方面的差距，但是由于國(guó)外仍掌握核心技術(shù)，而新技術(shù)引進(jìn)的成本非常高，使得國(guó)內(nèi)的一些中小型企業(yè)的控制技術(shù)長(zhǎng)期處于較低水平[2]。為此，打破該問(wèn)題現(xiàn)狀是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須面臨的問(wèn)題，否則，將導(dǎo)致國(guó)內(nèi)核心技術(shù)失去市場(chǎng)主導(dǎo)地位和主控能力。

國(guó)內(nèi)在經(jīng)濟(jì)全球化的長(zhǎng)期影響下，計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化等方面的控制技術(shù)在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域相互融合，可有效地帶動(dòng)國(guó)內(nèi)包裝機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。文中針對(duì)三伺服包裝機(jī)傳動(dòng)部件的復(fù)雜控制內(nèi)容，采用DSP56800對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)高效、可靠的工作能力，促進(jìn)包裝行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

1 整體控制方案的確立

1.1 DSP控制方案類比和選擇

根據(jù)DSP控制[3]在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用特點(diǎn)以及受控內(nèi)容，可將控制方案分為以下幾種：

（1）基于數(shù)據(jù)流及結(jié)構(gòu)的控制

該種控制方案具備良好的實(shí)時(shí)性，對(duì)于多重任務(wù)的處理有著較高的運(yùn)算效率，而且后期的程序維護(hù)簡(jiǎn)潔明了，但是復(fù)雜工作的控制對(duì)象難以采用標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的程序?qū)崿F(xiàn)。

（2）基于有限狀態(tài)機(jī)的控制

該種控制方案易于實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)人員的建模意圖，在高結(jié)構(gòu)層次的控制條件下，有著較高的開(kāi)發(fā)效率。在有限狀態(tài)機(jī)的開(kāi)發(fā)條件下，程序的設(shè)計(jì)對(duì)于新技術(shù)人員的要求相對(duì)較低，控制程序方案編寫(xiě)簡(jiǎn)單，但是在特定的條件下存在較大的實(shí)現(xiàn)難度，比如多重并發(fā)控制條件等。

（3）基于對(duì)象的控制

該種控制方案趨于形象化，能夠在軟件中直接對(duì)受控目標(biāo)進(jìn)行建模，并能夠針對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)程序的規(guī)范性、可靠性和實(shí)用性。面對(duì)對(duì)象的控制方案有著良好的應(yīng)用前景，但是在實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方面需要二次開(kāi)發(fā)或拓展[4]。

三伺服包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于控制系統(tǒng)的要求較高，對(duì)于控制方案選擇的要求較為嚴(yán)格。三伺服包裝機(jī)在工作時(shí)，其控制系統(tǒng)的主要流程為：用戶設(shè)定包裝工作要求以及工況條件，該過(guò)程通過(guò)上位機(jī)控制端實(shí)現(xiàn)；包裝機(jī)傳動(dòng)部件工作，比如橫封軸、塑料復(fù)合膜軸和物料槽軸的三 軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，即三伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)性控制，使得各個(gè)包裝環(huán)節(jié)具備良好的同步性，由下位機(jī)實(shí)現(xiàn)，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，過(guò)程具有嚴(yán)格的規(guī)范性。針對(duì)三伺服包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制要求可知，文中采用基于的對(duì)象控制方案。

1.2 控制步驟的設(shè)計(jì)

三伺服包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)在工作時(shí)具有特定的規(guī)范性，在進(jìn)行控制步驟設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循功能要求以及控制方案性質(zhì)。文中總結(jié)系統(tǒng)主要的控制步驟有：

（1）控制方案的確定

針對(duì)三伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，研究整個(gè)控制系統(tǒng)所需要的功能以及具體控制任務(wù)，明確上位機(jī)和下位機(jī)的主要功能，并通過(guò)基于對(duì)象的控制方法，采用UML實(shí)現(xiàn)控制模型的建立和描述。控制方案確立時(shí)需要綜合考慮三伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，從而可以給定下位機(jī)的總體控制方案，并根據(jù)具體的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)分割控制。

（2）功能控制內(nèi)容的確定

根據(jù)包裝機(jī)的基本功能要求，確定控制內(nèi)容包括：主界面與分功能界面的顯示、功能選項(xiàng)和功能參數(shù)定義。其中，主界面和分功能界面的顯示包括操作界面（點(diǎn)動(dòng)區(qū)、溫控區(qū)、模式區(qū)、對(duì)刀區(qū)等）和包裝信息（包裝袋長(zhǎng)、包裝速度、撥叉長(zhǎng)度、膜追蹤設(shè)定、槽追蹤設(shè)定、產(chǎn)量及時(shí)間顯示等）。包裝機(jī)功能選項(xiàng)設(shè)置包括包裝速度設(shè)置、包裝袋長(zhǎng)設(shè)置、撥叉長(zhǎng)度設(shè)置、開(kāi)車、停車、產(chǎn)量清零等。

（3）程序控制可行性的確定

程序控制內(nèi)容在設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮編寫(xiě)的難易程度以及可實(shí)現(xiàn)性，保證其在長(zhǎng)時(shí)間工作條件下的可行性與有效性[5]。在系統(tǒng)中，串口通訊程序采用的是VB編程，使用MSComm串口控件實(shí)現(xiàn)通訊過(guò)程。MSComm在系統(tǒng)中有兩種工作方式：事件驅(qū)動(dòng)與查詢。其中，事件驅(qū)動(dòng)方式主要用于程序的設(shè)計(jì)過(guò)程，在事件處理函數(shù)中根據(jù)用戶的要求添加自己的相關(guān)代碼，程序可自動(dòng)響應(yīng)，可靠性非常高；查詢方式主要是通過(guò)校驗(yàn)各種屬性值的方法檢驗(yàn)程序的正確性，在簡(jiǎn)單程序中應(yīng)用非常廣泛。

1.3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)三伺服包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)控制的要求以及功能特點(diǎn)，文中建立控制系統(tǒng)的主體模型如圖1所示。圖中可以看出：控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分為上位機(jī)控制端與下位機(jī)處理器協(xié)同工作。工作人員針對(duì)被包裝件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在上位機(jī)設(shè)定相關(guān)的工藝尺寸，比如初始工藝參數(shù)、后期參數(shù)修改、工作狀態(tài)顯示、故障信息預(yù)警、包裝質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)等。控制系統(tǒng)工作時(shí)，首先要檢驗(yàn)各個(gè)傳感器的存在，即初始化，初始化完成后，發(fā)送跳過(guò)ROM指令，然后發(fā)送讀取暫存器指令，并向DSP56800發(fā)送復(fù)位脈沖，DSP接收信號(hào)以后開(kāi)始記錄參數(shù)值，最后通過(guò)CRC校驗(yàn)得出最終準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在通訊端口設(shè)置通信口和波特率、停止位長(zhǎng)度等參數(shù)信息，控制串口的關(guān)、閉屬性。

2 下位機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

2.1 抗干擾控制設(shè)計(jì)

一般地，以軟件方式來(lái)進(jìn)行抗干擾控制可獲得很顯著的效果。為了能確保DSP56800處理后得到的參數(shù)的準(zhǔn)確性，本文針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)，在數(shù)據(jù)采集階段過(guò)程當(dāng)中采用軟件數(shù)字濾波方式來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。endprint

通常采用算數(shù)平均濾波來(lái)消除系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，其缺點(diǎn)是隨著采樣頻率的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的靈敏度下降。因此，需要全面考慮這兩方面的影響因素，所以對(duì)采樣系數(shù)要適當(dāng)?shù)倪x取，才能保證更好的濾波效果。雖然應(yīng)用算數(shù)平均濾波方法對(duì)于隨機(jī)整個(gè)信號(hào)的干擾的抑制作用比較明顯，但是其對(duì)脈沖干擾的處理能力則表現(xiàn)的比較弱，甚至使得整個(gè)脈沖信號(hào)更加遠(yuǎn)離實(shí)際值，因此，針對(duì)不同的工況條件，需要來(lái)提升整個(gè)軟件數(shù)字濾波效果，采用較好的濾波方法，脈沖干擾就能很好的被抑制。

2.2 主循環(huán)控制流程

系統(tǒng)主程序應(yīng)該進(jìn)行初始化設(shè)置[6]，初始化設(shè)置主要是完成對(duì)系統(tǒng)初始化代碼閱讀，換言之，初始化系統(tǒng)上設(shè)置各種各樣的數(shù)據(jù)，因此也叫做讀入初始值。系統(tǒng)中需要初始化的對(duì)象主要有DSP、A/D 轉(zhuǎn)換芯片、時(shí)鐘芯片、LCD 液晶模塊、RS232 串行通信電路等。

系統(tǒng)初始化后，然后進(jìn)行信號(hào)采集，這種信號(hào)的采集主要是利用采集電路進(jìn)行的，再由濾波電路送至 A/D 轉(zhuǎn)換電路，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。DSP處理被測(cè)信號(hào)后，通過(guò)串行通信送至LCD和按鍵電路，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和分析。系統(tǒng)初始化后，軟件程序必須有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信部分，這樣整個(gè)系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)主程序流程圖如下圖2所示，包括事件采集、事件分析和事件處理階段。

2.3 工作狀態(tài)分析

包裝機(jī)在執(zhí)行具體伺服控制子程序之前，要對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)預(yù)期的響應(yīng)信號(hào)，來(lái)確定指令發(fā)送，當(dāng)檢查正常時(shí)，執(zhí)行控制命令，即工作狀態(tài)分析。當(dāng)下位機(jī)系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，其內(nèi)部會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處、保護(hù)和存儲(chǔ)[7]。

對(duì)于便于控制和表達(dá)，文中針對(duì)三伺服包裝機(jī)的工作條件，將整個(gè)工作狀態(tài)分為以下幾部分：初始化過(guò)程、待機(jī)狀態(tài)，輔助狀態(tài)，工作狀態(tài)，空槽檢測(cè)狀態(tài)和停車處理狀態(tài)等，其控制模型如圖 3所示，這些工作狀態(tài)均由下位機(jī)實(shí)時(shí)控制。

2.4 停車控制

對(duì)于三伺服包裝機(jī)，停車控制可采用空槽檢測(cè)停車方法，該方法屬于此類包裝機(jī)的一個(gè)定向特征。在該種控制條件下，包裝機(jī)能夠根據(jù)傳感器自動(dòng)檢測(cè)物料是否存在，若不存在物料，將自動(dòng)停車，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

停車控制模型如圖4所示，可以看出：在正常工作條件下，若接收空槽檢測(cè)停車信號(hào)，將由DSP控制伺服電機(jī)，使其先后停止膜軸和橫封軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，再次以后，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入基于物料軸位置的功能處理過(guò)程，即待機(jī)狀態(tài)。若重新檢測(cè)有物料運(yùn)行，則再次由DSP控制伺服電機(jī)，啟動(dòng)膜軸和橫封軸，使其恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

在本文所研究的三伺服包裝機(jī)傳動(dòng)部件控制方案中，包裝機(jī)在各種工況下的啟動(dòng)、包裝工作、停車等過(guò)程均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可控性，符合三伺服電機(jī)的工作要求，滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且具備良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在DSP56800控制條件下，包裝機(jī)的三部分傳動(dòng)部件軸（橫封軸、塑料復(fù)合膜軸和物料槽軸）能夠協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了良好的同步性，綜上所述，文中控制方案具備很好的實(shí)用性和可行性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]喬峰麗，苗鴻賓.包裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)仿真研究[J].包裝工程，2008，29（1）：75-77.

[2]田野，孫智慧，鄭賽男，等.包裝機(jī)中推料機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化[J].包裝工程，2013（21）：66-70.

[3]陳興國(guó)，鐘定銘，陳瑋.DSP全模糊控制包裝機(jī)的凸輪定位差動(dòng)器的交流伺服系統(tǒng)[J].包裝工程，2004，25（5）：175-178.

[4]康瑞芳，劉鑫.基于DSP全自動(dòng)食品包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程，2017，24（2）：336-340.

[5]閆茹，安改娣，焦建.基于DSP的定量包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2017（5）：167-170.

[6]于鐳，常軍，黃存柱.基于DSP的自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（1）：3-5.

[7]朱偉興，孫榮，張建.基于數(shù)字信號(hào)處理器的伺服電機(jī)同步控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2013（1）：61-64.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint