基于DSP56F8037的整理機系統研究

張軍明　孫小杰　姚興圣

摘要：為了滿足現今自動包裝行業高生產效率的要求，研究并設計了輔助包裝機工作的整理機系統。本研究采用飛思卡爾DSP56F8037處理器為控制器，通過光電傳感器檢測物料狀態，進而控制變頻器以及伺服電機的動作，使物料可以均勻、高效地進入包裝機完成包裝。通過測試，驗證了該方案的有效性，極大提高了生產效率。

關鍵詞：整理機；數字信號處理器；光電傳感器；伺服電機

中圖分類號：TP278文獻標識碼：A

Abstract：In order to satisfy todays high efficiency requirements in automatic packaging industry，this paper designed a finishing machine system to assist the work of packaging machines.This design used a Freescale DSP as a controller，used photoelectric sensors to detect the state of material.By the single，DSP controls the frequency converter and servo motors movements to make sure the material can be evenly and efficiently into the packaging machine to complete the package.Through the test，the validity of the design is possible and it can improve the production efficiency greatly.

Key words：finishing machine；DSP；photoelectric sensor；servo motor

1引言

整理機是一種輔助包裝機工作的配套設備，隨著科學技術的不斷發展，正在廣泛應用于機械、礦業、印刷以及制造業等各行各業中[1-2]，但是在各個行業中均不同程度的存在生產工藝落后、生產效率低下的問題[3]。

現階段，物料進入包裝機之前的整理過程大部分是由人手工完成。手工作業，一方面無法達到較快的速度，另一方面包裝產品存在空包、漏包的現象，同時由于包裝機的撥叉機構為機械構件，很容易造成人員打傷[4]。現有的自動整理機一般功能為把包裝好的或未包裝的產品進行排序、列隊，僅僅是把物料進行簡單排列，方便人工裝箱、裝袋，無法實現定間距排列，從而無法實現后期的自動化處理[5]。本設計根據用戶對自動包裝機高生產效率的要求，將微機編程、變頻調速等技術應用到控制系統中[6]，同時應用了光電傳感技術，本系統可對包裝材料在生產過程中出現的誤差及時發現同時準確的給予補償和糾正，避免了包裝材料的浪費。開發了自動整理機專用運動控制程序，實現了物料整理的自動化、定間距、高效率。通過實際運行測試，該系統極大地提高了生產效率，實現了最大利潤[7]。

2整理機的基本原理

21整理機基本組成

整理機由控制單元、光電檢測單元和電機傳動單元三部分組成，組成如圖1所示。主控部分主要由DSP56F8037控制[8]，光電檢測部分由光電傳感器組成，電機傳動部分主要由xilin EH600A變頻器和兩個OMRON R88D-G系列伺服電機控制系統組成[9]。

22整理機的工作原理

系統啟動后，當沒有物料時，光電傳感器信號處于低電平，當有物料觸發光電傳感器時，信號由低電平變換為高電平。當有物料進入第一級并觸發光電傳感器1時，DSP接收并處理電平變化信號，計算出物料之間的間距，并控制軸3變頻器PWM模值輸出，調節第一級的速度。當物料觸發傳感器2時，DSP控制軸2伺服電機加速，使物料緊密的排列在第三級的傳動帶上。第三級與第四級由同一個伺服電機控制，但是機械傳動比不同，從而可以使物料在第四級上具有相等的間距。光電傳感器3觸發，說明物料即將進入包裝機撥叉。光電傳感器4可以檢測包裝機撥叉運行位置及速度，并將檢測到的信號與DSP通訊。DSP進而控制軸1加速、減速或者勻速，從而使物料到達撥叉時恰好處于兩撥叉之間，實現整理機的作用。

3整理機的軟件系統

31軟件設計原理

包裝機的撥叉長度一般可進行調節。但在包裝一種物品時其長度 lab為一定值。同一種商品的外觀尺寸也是一定的，即物料長度lw也為一定值。

另外，光電傳感器3距離光電傳感器4的距離根據包裝機的要求，距離與撥叉距離lab相同。為第四級調速留下空間。

為了使物料CD進入撥叉時不被撥叉碰到，必須使物料前端C在到達撥叉時，距離撥叉腳A的距離（CA）為0～（lab-lw）之間。

設備初始化完成后，開機運行，在無物料的情況下（即不需要調速），系統通過檢測光電傳感器4連續兩次被觸發的時間間隔T，計算出撥叉的速度Vb，假設整理機第四級速度為V4，所以存在等式：

V4=Vb=labT（1）

調速過程類似于同向追擊運動。從物料前端觸發傳感器3的一刻開始，到撥叉與物料最后同時到達終點位置即AC之間任意一點截止。

當傳感器3被觸發的時刻，距離下一次光電傳感器4被觸發還要經過時間為t的一段時間，此段時間內，撥叉運行的距離Lab為：

Lab=Vb*t（2）

當Lab≥lw時，第四級速度不變。

當0

當0.5lw

減速、加速過程是一個加速度不變的勻加速或勻減速過程。

當減速時：物料運行的距離不變為lab，時間增加t，所以存在等式：

lab=V4*（T+t）+12a（T+t）2（3）

當加速時：物料運行的距離不變為lab，時間減少t，所以存在等式：

lab=V4*（T-t）+12a（T-t）2 （4）

根據計算結果的變化，經過DSP處理，發出控制信號調節軸1的PWM輸出來控制電機的轉速，實現第四級的變速功能，使物料能夠順利進入包裝機撥叉，實現整理機的作用和功能。

32軟件系統環境

本系統軟件設計是在Freescale 56F800/E系列DSP的集成開發環境——Metrowerks Codewarrior軟件中開發的。采用C語言編寫，包括系統初始化、錯誤檢測、處理和接收串口命令、DSP控制電機動作部分等幾部分。

33軟件系統組成

331系統初始化

程序啟動時，首先進行內核初始化，內核初始化完成并無誤后進行硬件的初始化和系統參數初始化。硬件初始化包括初始化：GPIO口初始化，編碼器清零；定時器TA0初始化；軸1、軸2、軸3的初始化。系統參數初始化包括：物料長度的初始化、計時器的初始化、連接軸1、2的伺服電機的開啟等。

332錯誤檢測

完成之前的初始化，如果有錯誤則系統報警，排除錯誤后，系統處理來自串口的命令，得到系統開車、停車以及包裝速度等的指令，然后經串口SCI0發送數據調用相應的電機工作，控制電機部分動作，完成整理機的工作。

333處理和接受串口命令

本部分DSP通過對信號的檢測和處理，為DSP控制電機的運行提供必要的支持。

334DSP控制電機動作

采集的數據進行處理后，DSP控制軸系統的速度變化，進而完成物料均勻進入撥叉的目的。

（1）初始化APP_INIT（0x01）狀態

初始化APP_INIT（0x01）狀態是在接收到串口發送的開始命令后，根據系統參數，進行初始化計算，計算三個軸的速度。當傳感器處有物料時，電機直接進入運行狀態。當傳感器處沒有物料時，DSP計算完電機的初始轉速后切換到等待狀態，等待新命令的輸入啟動相應的電機。

（2）等待APP_WAITING（0x02）狀態

根據接收到的串口命令，系統初始化完成后，如果串口命令是使系統進入Waiting狀態，則將新的初始化參數寫入到FLASH中。

（4）RUN_RUN狀態流程圖

系統啟動后，當有物料進入第一級并觸發光電傳感器1時，DSP接收并處理電平變化信號，計算出物料之間的間距，并控制軸3變頻器PWM模值輸出，調節第一級的速度。當物料觸發傳感器2時，DSP控制軸2伺服電機加速，使物料緊密的排列在一起。第三級與第四級由同一個伺服電機控制，但是機械傳動比不同，從而可以使物料在第四級上具有相等的間距。當物料到達并觸發光電傳感器3時，DSP與包裝機通訊，獲取撥叉的位置，并調節軸1加速、減速或者勻速，從而使物料到達撥叉時恰好處于兩撥叉之間，實現整理機的作用。

在位置控制方式下，伺服驅動器接收DSP發出的位置指令信號（脈沖和方向），送入脈沖列形態，經電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計數器中與反饋脈沖信號比較后形成偏差信號。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機實際所產生的脈沖數，經四倍頻后產生的。位置偏差信號經位置環的復合前饋控制器調節后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號與位置檢測裝置相同。比較后的偏差信號經速度環比例積分控制器調節后產生電流指令信號，在電流環中經矢量變換后，由SPWM輸出轉矩電流，控制交流伺服電機的運行。位置控制精度由光電編碼器每轉產生的脈沖數控制。

4結論

本研究給出的整理機系統設計方案，極大提高了自動化生產前期的準備工作效率，同時，利用變頻器和伺服電機的控制，實現了無極變速。同時可滿足各種長度，各種形狀的物品包裝需求，對物料進行了初級等間距、高速度預整理，在食品包裝方面，例如袋裝方便面的包裝，有極大作用。

通過整理機的實際運行，整理速度可穩定在200件/分鐘左右，相比人工或現有自動整理機效率有極大提高。

參考文獻

[1]譚浩強，C程序設計（第二版）[M].北京：清華大學出版社，1999.

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[6]齊立芬，王聰.變頻器在包裝生產線中的應用[J].中國科技信息，2009，16：133～134.

[7]堂士壘.云南白藥集團制藥包裝生產線自動化設計及其工程實現[D].云南：昆明理工大學，2004.

[8]Data Sheet of Freescale DSP56F8037[OL].http：//www.freescale.com/.

[9]EH600A系列中英文手冊[OL].http：//www.dlsanji.com.endprint