三伺服包裝機傳動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于包裝工序的高效率完成有著關(guān)鍵的影響。針對三伺服包裝機傳動系統(tǒng)的控制要求，采用基于DSP56800的對象控制條件，確立下位機具體控制方案，包括抗干擾設(shè)計、主循環(huán)流程設(shè)計、工作狀態(tài)控制以及停車控制等，實現(xiàn)包裝機了各個工作環(huán)節(jié)的精準控制。

【關(guān)鍵詞】三伺服包裝機；控制系統(tǒng)；DSP；抗干擾

0 引言

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

國內(nèi)在經(jīng)濟全球化的長期影響下，計算機、通訊、自動化等方面的控制技術(shù)在各個行業(yè)和領(lǐng)域相互融合，可有效地帶動國內(nèi)包裝機控制技術(shù)的發(fā)展。文中針對三伺服包裝機傳動部件的復雜控制內(nèi)容，采用DSP56800對各個環(huán)節(jié)進行控制設(shè)計，最終實現(xiàn)包裝機高效、可靠的工作能力，促進包裝行業(yè)的發(fā)展和進步。

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]在各個領(lǐng)域內(nèi)的應用特點以及受控內(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時性，對于多重任務的處理有著較高的運算效率，而且后期的程序維護簡潔明了，但是復雜工作的控制對象難以采用標準化和規(guī)范化的程序?qū)崿F(xiàn)。

（2）基于有限狀態(tài)機的控制

該種控制方案易于實現(xiàn)開發(fā)人員的建模意圖，在高結(jié)構(gòu)層次的控制條件下，有著較高的開發(fā)效率。在有限狀態(tài)機的開發(fā)條件下，程序的設(shè)計對于新技術(shù)人員的要求相對較低，控制程序方案編寫簡單，但是在特定的條件下存在較大的實現(xiàn)難度，比如多重并發(fā)控制條件等。

（3）基于對象的控制

該種控制方案趨于形象化，能夠在軟件中直接對受控目標進行建模，并能夠針對行業(yè)標準實現(xiàn)程序的規(guī)范性、可靠性和實用性。面對對象的控制方案有著良好的應用前景，但是在實時性系統(tǒng)的實現(xiàn)方面需要二次開發(fā)或拓展[4]。

三伺服包裝機傳動系統(tǒng)對于控制系統(tǒng)的要求較高，對于控制方案選擇的要求較為嚴格。三伺服包裝機在工作時，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，該過程通過上位機控制端實現(xiàn)；包裝機傳動部件工作，比如橫封軸、塑料復合膜軸和物料槽軸的三 軸協(xié)同運動，即三伺服電機的實時性控制，使得各個包裝環(huán)節(jié)具備良好的同步性，由下位機實現(xiàn)，也是整個控制系統(tǒng)的核心部分，過程具有嚴格的規(guī)范性。針對三伺服包裝機傳動系統(tǒng)的控制要求可知，文中采用基于的對象控制方案。

1.2 控制步驟的設(shè)計

三伺服包裝機的傳動系統(tǒng)在工作時具有特定的規(guī)范性，在進行控制步驟設(shè)計時，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

針對三伺服傳動系統(tǒng)的工作原理，研究整個控制系統(tǒng)所需要的功能以及具體控制任務，明確上位機和下位機的主要功能，并通過基于對象的控制方法，采用UML實現(xiàn)控制模型的建立和描述?？刂品桨复_立時需要綜合考慮三伺服電機的運動特性，從而可以給定下位機的總體控制方案，并根據(jù)具體的動作，實現(xiàn)分割控制。

（2）功能控制內(nèi)容的確定

根據(jù)包裝機的基本功能要求，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（點動區(qū)、溫控區(qū)、模式區(qū)、對刀區(qū)等）和包裝信息（包裝袋長、包裝速度、撥叉長度、膜追蹤設(shè)定、槽追蹤設(shè)定、產(chǎn)量及時間顯示等）。包裝機功能選項設(shè)置包括包裝速度設(shè)置、包裝袋長設(shè)置、撥叉長度設(shè)置、開車、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)計時，需要綜合考慮編寫的難易程度以及可實現(xiàn)性，保證其在長時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串口控件實現(xiàn)通訊過程。MSComm在系統(tǒng)中有兩種工作方式：事件驅(qū)動與查詢。其中，事件驅(qū)動方式主要用于程序的設(shè)計過程，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，程序可自動響應，可靠性非常高；查詢方式主要是通過校驗各種屬性值的方法檢驗程序的正確性，在簡單程序中應用非常廣泛。

1.3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計

針對三伺服包裝機傳動系統(tǒng)控制的要求以及功能特點，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控制端與下位機處理器協(xié)同工作。工作人員針對被包裝件的結(jié)構(gòu)特點在上位機設(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、故障信息預警、包裝質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)等。控制系統(tǒng)工作時，首先要檢驗各個傳感器的存在，即初始化，初始化完成后，發(fā)送跳過ROM指令，然后發(fā)送讀取暫存器指令，并向DSP56800發(fā)送復位脈沖，DSP接收信號以后開始記錄參數(shù)值，最后通過CRC校驗得出最終準確的測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在通訊端口設(shè)置通信口和波特率、停止位長度等參數(shù)信息，控制串口的關(guān)、閉屬性。

2 下位機控制方案設(shè)計

2.1 抗干擾控制設(shè)計

一般地，以軟件方式來進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)的準確性，本文針對整個系統(tǒng)傳感器監(jiān)測到的信號，在數(shù)據(jù)采集階段過程當中采用軟件數(shù)字濾波方式來進行整個系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。endprint

通常采用算數(shù)平均濾波來消除系統(tǒng)的隨機誤差，其缺點是隨著采樣頻率的增加會導致系統(tǒng)的靈敏度下降。因此，需要全面考慮這兩方面的影響因素，所以對采樣系數(shù)要適當?shù)倪x取，才能保證更好的濾波效果。雖然應用算數(shù)平均濾波方法對于隨機整個信號的干擾的抑制作用比較明顯，但是其對脈沖干擾的處理能力則表現(xiàn)的比較弱，甚至使得整個脈沖信號更加遠離實際值，因此，針對不同的工況條件，需要來提升整個軟件數(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)主程序應該進行初始化設(shè)置[6]，初始化設(shè)置主要是完成對系統(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)中需要初始化的對象主要有DSP、A/D 轉(zhuǎn)換芯片、時鐘芯片、LCD 液晶模塊、RS232 串行通信電路等。

系統(tǒng)初始化后，然后進行信號采集，這種信號的采集主要是利用采集電路進行的，再由濾波電路送至 A/D 轉(zhuǎn)換電路，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP可以識別的數(shù)字信號。DSP處理被測信號后，通過串行通信送至LCD和按鍵電路，進行數(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，這樣整個系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定運行。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

包裝機在執(zhí)行具體伺服控制子程序之前，要對每個傳感器進行校準，通過預期的響應信號，來確定指令發(fā)送，當檢查正常時，執(zhí)行控制命令，即工作狀態(tài)分析。當下位機系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，其內(nèi)部會進行數(shù)據(jù)處、保護和存儲[7]。

對于便于控制和表達，文中針對三伺服包裝機的工作條件，將整個工作狀態(tài)分為以下幾部分：初始化過程、待機狀態(tài)，輔助狀態(tài)，工作狀態(tài)，空槽檢測狀態(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)均由下位機實時控制。

2.4 停車控制

對于三伺服包裝機，停車控制可采用空槽檢測停車方法，該方法屬于此類包裝機的一個定向特征。在該種控制條件下，包裝機能夠根據(jù)傳感器自動檢測物料是否存在，若不存在物料，將自動停車，有效地實現(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，若接收空槽檢測停車信號，將由DSP控制伺服電機，使其先后停止膜軸和橫封軸的轉(zhuǎn)動，再次以后，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)入基于物料軸位置的功能處理過程，即待機狀態(tài)。若重新檢測有物料運行，則再次由DSP控制伺服電機，啟動膜軸和橫封軸，使其恢復到正常運行狀態(tài)。

3 結(jié)語

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

【參考文獻】

[1]喬峰麗，苗鴻賓.包裝機橫封機構(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.包裝機中推料機構(gòu)分析及優(yōu)化[J].包裝工程，2013（21）：66-70.

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

[4]康瑞芳，劉鑫.基于DSP全自動食品包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計[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[J].包裝工程，2017（5）：167-170.

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

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

[責任編輯：朱麗娜]endprint