口罩翻轉機控制系統的改進與實現

河源技師學院 鐘偉東

口罩翻轉機控制系統以STM32單片機為核心控制器，單片機中植入梯形加減速算法程序，有效避免了因起步頻率過高導致步進電機丟步等因素引發設備故障的問題，經調試，設備運行平滑穩定、響應靈敏、前后端設備協調性好，優化了設備性能，大大提升了生產效率和質量。

新冠肺炎疫情暴發給人民生命安全帶來嚴重威脅，抗擊疫情期間需要大量的醫療物資、防控物資等，尤其是口罩供需矛盾更為突出，隨后國家除了加強管控防控物資外還鼓勵企業大量生產口罩以緩解緊張的局勢，眾多企業為了生產口罩購進了大量的相關生產設備，但由于口罩機質量參差不齊、性能不優，在生產過程中給企業帶來許多技術難題，無法及時解決，嚴重影響疫情物資生產。期間，我們學院派出技術團隊協助企業解決口罩生產設備故障，在解決過程中發現一拖二設備的口罩翻轉機存在運行不穩定、動作不協調等現象，為了加快生產口罩進度和提高產品質量，對口罩翻轉機控制系統進行了優化和改進，取得了較好的成效。

1 口罩翻轉機控制系統存在問題

口罩翻轉機通常在一拖二以上的口罩機中使用，它是打片機與超聲波焊接機的銜接設備，主要負責將打好片的口罩進行分離、翻轉。翻轉機工作是否正常直接影響到上下兩級的工作效率及產品的質量。目前，口罩翻轉機控制系統多采用PLC與步進電機相結合以開環直接控制方式實現口罩分離、翻轉功能，但是實際使用中發現，在翻轉機中的步進電機工作不夠穩定、動作不協調，導致口罩偏離傳送軌道或直接跑飛等不良現象，嚴重影響生產。

2 口罩翻轉機控制系統的改進

口罩翻轉機性能優劣主要取決于步進電機運行狀態和速度，步進電機運行狀態和速度由輸入脈沖的頻率控制，頻率高速度快，但容易引起電機堵轉、丟步、過沖等現象導致分離、翻轉時口罩偏離傳送軌道或直接跑飛等現象。為了優化步進電機運行狀態和速度，使其在運行過程中能與打片機和焊接機充分協調工作，文中將通過植入梯形加減速算法控制方式解決設備存在的問題，從而優化了口罩翻轉機性能。此外，控制系統采用了STM32單片機控制方式進一步降低了設備生產成本。

2.1 控制系統硬件設計

如圖1所示，口罩翻轉機硬件控制系統主要由四部分組成，一是STM32單片機為核心控制器，主要負責控制步進電機按照規定的速度和工作狀態運行以及與觸模屏通信；二是傳感器，主要負責檢測口罩翻轉機前端有無口罩及步進電機的原點檢測；三是步進電機驅動控制器，主要由四線制57H2P7842A4步進電機和DM542驅動器組成；四是串口觸模屏，主要用于用戶設置步進電機運行步數step、加速度acc、減速度dec、最大運行速度ωmax等參數和設備啟動、停止按鈕。

圖1 口罩翻轉機控制系統電路方框圖

2.2 梯形加減速算法的應用

梯形加減速算法具有控制簡單、容易實現等優勢，尤其在步進電機開環控制系統中植入梯形加減速算法是解決步進電機丟步、過沖等問題的較優方式，算法在口罩翻轉機中應用可有效避免因頻率過高導致步進電機丟步等因素引發設備故障的問題。

（1）梯形加減速算法數學模型

梯形加減速曲線如圖2所示，步進電機因受用戶所設定的運行步數step、加速度acc、減速度dec、最大運行速度ωmax因素的限制，步進電機將會按AFGHIE或AFTIE軌跡運行，當用戶所設定步進電機運行速度ωmax＜ωT時，這時步進電機按AFGHIE軌跡運行，曲線分為四個狀態：一是加速運動；二是勻速運動；三是減速運動；四是停止運動。

圖2 梯形加減速曲線

根據曲線算出加速的步數為：

減速步數為：

當用戶所設定步進電機運行速度ωmax≥ωT時，步進電機按AFTIE軌跡運行，這時只有加速和減速兩個階段，加速步數為：

減速步數為總運行步數與加速步數之差即step-AC，無勻速時段。

步進電機運行速度快慢取決于其工作頻率的高低，根據加速度公式算出在t時間內步進電機旋轉角度為：

其中α為步進電機步距角、n為輸入脈沖數、為加減速度，根據等量關系求出時間：

相鄰脈沖時間差為：

改變δt值的大小即可調整步進電機運行速度的快慢，δt的值越大速度越慢，否則越快。

（2）梯形加減速算法在單片機中實現

在單片機程序中實現梯形加減速算法分為二部分，一是根據運行步數step、加速度acc、減速度dec、最大運行速度ωmax、步距角α等參數計算加減速步數從而實現控制步進電機按曲線軌跡運行。二是采用定時器T1產生PWM信號，通過PA8引腳實現控制步進電機按梯形算法穩定運行。

步進電機運行軌跡控制。步進電機運行軌跡的控制流程圖如圖3所示，單片機根據參數計算步數AB和AC，如果AB＜AC，將控制步進電機按照模型的AFGHIE軌跡運行，減速步數為：

圖3 步進電機運行軌跡流程圖

若AB≥AC說明步進電機達到用戶設定的運行速度時的步數超過要開始減速的步數，此時減速的步數應為step與AC之差即：

步進電機運行頻率控制。步進電機運行頻率控制信號由單片機定時器T1產生，通過PA8引腳控制步進電機，引腳輸出頻率由定時器的計數周期及計數值共同決定，當單片機的系統時鐘和分頻系數固定時，這時由定時器計數值決定輸出頻率大小，計數值越大頻率越低，計數值越小頻率越高。根據梯形算法曲線（b）設相鄰脈沖時間差δt=Cnt，式中t為定時器計數周期通常為固定值，而Cn為定時器的計數值，是變量值，根據公式：

則有：

可化簡為：

為了提高單片機的運算速度，依泰勒公式和麥克勞林公式，對cn進一步化簡為：

單片機程序中依序算出定時器的計數值即可輸出對應頻率的控制信號，根據調試經驗，當n=1時與實際值存在一定的誤差，但可通過c0乘以0.676進行修正。

3 人機對話與傳感器模塊

人機對話模塊采用TTL電平接口電路的串口觸模屏，在觸屏中可輸入步數step、加速度acc、減速度dec、最大運行速度ωmax等相關控制參數和口罩翻轉機啟動、停止控制按鈕。傳感器模塊包括口罩有無檢測和電機原點檢測，當設備通電時控制系統自動檢測步進電機是否處于原點，如不在原點則自動復位。

4 控制系統調試與分析

根據口罩翻轉機的實際，把步進電機驅動器的細分數設為32，設置驅動電流大小為2.8A，在串口觸模屏主控界面中輸入不同的step、acc、dec、ωmax值，然后點擊啟動控制按鈕啟動設備，經調試，口罩翻轉機的運行速度快且平穩，與前后端設備能協調工作，設備性能優于改進前的性能。

結束語：口罩翻轉機以STM32單片機為控制核心進一步降低了設備生產成本，植入梯形加減速算法優化了口罩翻轉機性能，測試結果表明口罩翻轉機運行平滑穩定、響應靈敏，大大降低了故障率，提升了生產效率和質量。