三伺服包裝機傳動部件的控制方案研究

宋慧　劉娜　孟凡芳　張衛星

【摘 要】三伺服包裝機是目前食品、物料包裝行業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鍵的影響。針對三伺服包裝機傳動系統的控制要求，采用基于DSP56800的對象控制條件，確立下位機具體控制方案，包括抗干擾設計、主循環流程設計、工作狀態控制以及停車控制等，實現包裝機了各個工作環節的精準控制。

【關鍵詞】三伺服包裝機；控制系統；DSP；抗干擾

0 引言

隨著機械生產及電子技術的發展和應用，國內外包裝機行業的發展突飛猛進，智能控制水平的提升使得包裝機迎來了非常好的發展機遇[1]。目前，性能優良的三伺服包裝機在各個行業和領域都有著廣泛的應用，其集合了新傳動技術和新控制手段，不但能夠保證包裝機的高效工作，而且實現了加工裝備性價比的大幅度提升。國內三伺服包裝機的飛速發展主要起源和得益于國外技術的引進，明顯地縮小了國內外包裝行業自動化控制方面的差距，但是由于國外仍掌握核心技術，而新技術引進的成本非常高，使得國內的一些中小型企業的控制技術長期處于較低水平[2]。為此，打破該問題現狀是國內市場經濟發展必須面臨的問題，否則，將導致國內核心技術失去市場主導地位和主控能力。

國內在經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在各個行業和領域相互融合，可有效地帶動國內包裝機控制技術的發展。文中針對三伺服包裝機傳動部件的復雜控制內容，采用DSP56800對各個環節進行控制設計，最終實現包裝機高效、可靠的工作能力，促進包裝行業的發展和進步。

1 整體控制方案的確立

1.1 DSP控制方案類比和選擇

根據DSP控制[3]在各個領域內的應用特點以及受控內容，可將控制方案分為以下幾種：

（1）基于數據流及結構的控制

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范化的程序實現。

（2）基于有限狀態機的控制

該種控制方案易于實現開發人員的建模意圖，在高結構層次的控制條件下，有著較高的開發效率。在有限狀態機的開發條件下，程序的設計對于新技術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難度，比如多重并發控制條件等。

（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，并能夠針對行業標準實現程序的規范性、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，但是在實時性系統的實現方面需要二次開發或拓展[4]。

三伺服包裝機傳動系統對于控制系統的要求較高，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，其控制系統的主要流程為：用戶設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；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 軸協同運動，即三伺服電機的實時性控制，使得各個包裝環節具備良好的同步性，由下位機實現，也是整個控制系統的核心部分，過程具有嚴格的規范性。針對三伺服包裝機傳動系統的控制要求可知，文中采用基于的對象控制方案。

1.2 控制步驟的設計

三伺服包裝機的傳動系統在工作時具有特定的規范性，在進行控制步驟設計時，需要遵循功能要求以及控制方案性質。文中總結系統主要的控制步驟有：

（1）控制方案的確定

針對三伺服傳動系統的工作原理，研究整個控制系統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，并根據具體的動作，實現分割控制。

（2）功能控制內容的確定

根據包裝機的基本功能要求，確定控制內容包括：主界面與分功能界面的顯示、功能選項和功能參數定義。其中，主界面和分功能界面的顯示包括操作界面（點動區、溫控區、模式區、對刀區等）和包裝信息（包裝袋長、包裝速度、撥叉長度、膜追蹤設定、槽追蹤設定、產量及時間顯示等）。包裝機功能選項設置包括包裝速度設置、包裝袋長設置、撥叉長度設置、開車、停車、產量清零等。

（3）程序控制可行性的確定

程序控制內容在設計時，需要綜合考慮編寫的難易程度以及可實現性，保證其在長時間工作條件下的可行性與有效性[5]。在系統中，串口通訊程序采用的是VB編程，使用MSComm串口控件實現通訊過程。MSComm在系統中有兩種工作方式：事件驅動與查詢。其中，事件驅動方式主要用于程序的設計過程，在事件處理函數中根據用戶的要求添加自己的相關代碼，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 控制系統功能設計

針對三伺服包裝機傳動系統控制的要求以及功能特點，文中建立控制系統的主體模型如圖1所示。圖中可以看出：控制系統的關鍵組成部分為上位機控制端與下位機處理器協同工作。工作人員針對被包裝件的結構特點在上位機設定相關的工藝尺寸，比如初始工藝參數、后期參數修改、工作狀態顯示、故障信息預警、包裝質量檢測數據等。控制系統工作時，首先要檢驗各個傳感器的存在，即初始化，初始化完成后，發送跳過ROM指令，然后發送讀取暫存器指令，并向DSP56800發送復位脈沖，DSP接收信號以后開始記錄參數值，最后通過CRC校驗得出最終準確的測量數據。系統在通訊端口設置通信口和波特率、停止位長度等參數信息，控制串口的關、閉屬性。

2 下位機控制方案設計

2.1 抗干擾控制設計

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處理后得到的參數的準確性，本文針對整個系統傳感器監測到的信號，在數據采集階段過程當中采用軟件數字濾波方式來進行整個系統的抗干擾設計。endprint

通常采用算數平均濾波來消除系統的隨機誤差，其缺點是隨著采樣頻率的增加會導致系統的靈敏度下降。因此，需要全面考慮這兩方面的影響因素，所以對采樣系數要適當的選取，才能保證更好的濾波效果。雖然應用算數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 主循環控制流程

系統主程序應該進行初始化設置[6]，初始化設置主要是完成對系統初始化代碼閱讀，換言之，初始化系統上設置各種各樣的數據，因此也叫做讀入初始值。系統中需要初始化的對象主要有DSP、A/D 轉換芯片、時鐘芯片、LCD 液晶模塊、RS232 串行通信電路等。

系統初始化后，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 轉換電路，將采集到的模擬信號轉換成DSP可以識別的數字信號。DSP處理被測信號后，通過串行通信送至LCD和按鍵電路，進行數據查詢和分析。系統初始化后，軟件程序必須有數據采集、數據處理、數據通信部分，這樣整個系統才能夠穩定運行。系統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 工作狀態分析

包裝機在執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，來確定指令發送，當檢查正常時，執行控制命令，即工作狀態分析。當下位機系統接收到數據后，其內部會進行數據處、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，將整個工作狀態分為以下幾部分：初始化過程、待機狀態，輔助狀態，工作狀態，空槽檢測狀態和停車處理狀態等，其控制模型如圖 3所示，這些工作狀態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，有效地實現節能控制。

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動，再次以后，系統將轉入基于物料軸位置的功能處理過程，即待機狀態。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。

3 結語

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、停車等過程均表現出良好的穩定性和可控性，符合三伺服電機的工作要求，滿足工程設計指標，并且具備良好的經濟效益和社會效益。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）能夠協同運動，實現了良好的同步性，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.包裝機中推料機構分析及優化[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[J].包裝工程，2004，25（5）：175-178.

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

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

[責任編輯：朱麗娜]endprint