基于STM32單片機的切紙機控制系統設計

馬文明 嚴豪魁

摘要：根據現代高速雙刀切紙機的工藝要求，對伺服控制方案進行了分析。針對切紙機切割精度的問題，設計了以STM32單片機為核心的切紙機控制系統，以降低生產成本、提高切紙精度。主要介紹了切紙機的工藝流程，通過分析，設計了變頻控制和伺服控制相結合的控制方案。通過實驗得到切紙輥跟隨送紙輥的電機速度曲線。誤差分析表明，切紙精度可達±1 mm，由此證明了本切紙機控制系統的可行性。

關鍵詞：切紙機;系統設計;切割精度;混合控制

中圖分類號：TS736+.3;TP13

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2019.04.009

Abstract：According to the technical requirements of the modern high speed duplex cutter， the servo control scheme was analyzed. At present， most domestic paper cutter are imported equipment with high price. Aiming at the problem of cutting accuracy of paper cutter， a control system of paper cutter based on STM32 was put forward， so as to reduce production cost and improve the accuracy of paper cutting. This paper mainly introduced the technological process of the paper cutter， and analyzed the control scheme combining frequency conversion control and servo control.Finally， the motor speed curve of the paper cutting roller followed by the paper feeding roller was obtained through the experiment， and the accuracy of the paper cutting could reach to ±1 mm by error analysis， which proved the feasibility of the control system of the paper cutter.

Key words：paper? cutter; system design; cutting precision; mixed control

切紙機是一種重要的紙張加工設備，目前，我國國內比較主流的切紙機為橫向切紙機。橫向切紙機主要是將造紙機卷取部的卷筒紙剪切加工成為平版紙張。根據工作方式的不同，切紙方式主要分為兩種：一種是閘刀式，另一種是旋轉切刀式。在切紙機的控制系統中，最重要的是對切紙的精度控制。為使國內切紙機達到更高的精度，設計一種高速、高效、高精度的切紙機控制系統非常有必要[12] 。為提高切紙機精度、降低控制系統成本，結合變頻控制和伺服控制，筆者設計了以STM32單片機為核心的混合控制系統，以期達到控制要求。

1切紙機的工藝流程

切紙機的工藝流程如圖1所示。切紙機在正常工作時，來自原紙輥上的成品紙幅經過弧形輥后進入縱切裝置，縱切裝置的縱切刀根據廠家設定的寬度先對紙幅進行縱向切割。這樣，一條紙幅經過縱切后就剪切成兩條紙幅：一條隨1#送紙輥的牽引進入1#切紙輥，另一條由2#送紙輥牽引進入2#切紙輥。切紙輥根據事先設定好的切紙長度和送紙輥的運行狀態制定切紙輥電機的運動規律，驅動切紙輥進行旋轉，對紙幅實施高精度定長剪切。兩個切紙輥的切刀可以同時剪切出兩種不同長度設定的紙張。剪切后的紙張通過位于切紙輥下面的傳送帶被輸送到后面的接紙臺，進行整理和打包[34]。

2控制系統方案設計

為了保證切紙精度，筆者設計了基于伺服控制系統的切紙機方案。基于伺服控制系統的切紙機方案一般有以下兩種：一種是對送紙輥和切紙輥均采用伺服控制系統，這種控制系統的精度高，但是前期成本高;另一種是對切紙輥采用伺服控制系統，對送紙輥采用變頻控制的方式。根據伺服控制系統的工作原理，只要能夠將紙張的運行速度送入到切紙輥伺服控制系統中作為主軸速度，就能夠充分發揮交流伺服控制系統的優秀特性：動作響應快、精度高、穩定性好[5]。因此，對送紙輥，采用變頻傳動的控制方式;而對于切紙輥，則采用伺服控制的切紙控制系統方案。

2.1送紙輥設計

送紙輥電動機為三相交流異步電動機，采用普通變頻器驅動。送紙輥采用變頻傳動而非伺服控制的原因在于：送紙輥雖然有速度的波動和偏差，但是在短時間內送紙輥的波動非常小，基本不影響切紙輥的跟隨。通過控制切紙輥，可消除誤差。送紙輥上的編碼器脈沖直接輸入單片機系統，經硬件電路4倍頻以后輸送給單片機采集，對送紙輥進行開環控制方式。

2.2切紙輥設計

通過以上分析，切紙輥采用伺服控制方案。采用吉泰科GK800M4T22F2帶有伺服功能的變頻器，變頻器功率為22 kW，功率輸入的額定電壓為三相380～480 V，額定頻率50 Hz，波動范圍為±5%，額定輸入電流為50 A，功率輸出時的輸出電壓為三相0～380 V額定輸入電壓，誤差小于±3%，輸出頻率為0～600.00 Hz，單位0.01 Hz，額定輸出電流45 A。相較于一般變頻器反應時間更短，使得切紙精度更高。

驅動電機為高效率三相異步電動機，功率22 kW。三相異步電動機配備有1024線路的差分型編碼器，編碼器的輸出連接到驅動切刀，編碼器脈沖經脈沖分配器后分為兩路，一路直接接入變頻器編碼器反饋接口作為閉環，另一路則輸入到單片機硬件電路經4倍頻后供單片機采集。

伺服系統包括位置環、速度環和電流環，電流環的輸出直接決定著逆變器給電機的驅動是否得當，對精度和響應速度的影響非常大;速度環可以抑制速度的波動，增強系統抗負載擾動的能力;位置環能夠保證系統的靜態精度和動態跟蹤性能[6]。伺服控制系統結構如圖2所示。

由于實際情況限制，控制系統只能通過吉泰科變頻器實現電流環和速度環的控制，位置環則是采用原點開關來實現，原點開關安裝在切紙輥電機上，用來采集兩個原點間送紙輥的編碼器脈沖個數得到實際切長，從而實現了位置環控制。整體的切紙輥設計是一個伺服控制系統。

3切紙機控制系統硬件設計

3.1切紙機的控制原理

切紙機的控制系統硬件組成如圖3所示。由于實際情況的限制，在切紙機控制系統中送紙輥變頻器采用的是直接轉矩控制，以盡量提高送紙輥的穩態速度精度，而切紙輥變頻器采用的是加閉環的矢量控制。

圖3中只畫出了與送紙輥和切紙輥相關部分的連接圖。其中，1#INV采用的是直接轉矩控制的ACS800變頻器，采用的是開環控制，靜態速度誤差±（0.1%～0.5%）;2# INV采用的是吉泰科的變頻器，響應速度模擬量在4 ms左右，閉環矢量控制靜態速度誤差為±0.1%。送紙輥編碼器與切紙輥編碼器均采用差分編碼器，以提高抗干擾能力，其線數分別為2048、1024。送紙輥編碼器脈沖直接輸入控制系統，經硬件電路4倍頻以后輸送給控制器采集。切刀編碼器脈沖經脈沖分配器后分為兩路：一路直接接入變頻器編碼器反饋接口作為閉環;另一路則輸入到控制器硬件電路，經4倍頻后供控制器采集。控制器分別采集兩路輸入處理后的脈沖，得到送紙輥與切紙輥的速度和位置信息后，經過一定的運算，輸出模擬量信號給2# INV變頻器作為切紙輥電機的速度給定，從而使得切紙輥可以穩定地跟隨送紙輥。原點開關是為采集兩個原點間送紙輥的編碼器脈沖個數，從而得到實際的控制切長。

3.2控制系統硬件選型及功能

控制系統的主要硬件及選型如下。系統所用的編碼器均為歐姆龍E6B2CWZ1X型編碼器?？刂破鬟x擇STM32F103系列，單片機的數據處理能力和響應速度要強于PLC，而且價格也相對便宜。選擇FT1216的電源濾波器，以防止變頻器啟動后對單片機和編碼器的干擾。采用+24V開關電源為單片機供電。原點開關選擇KAKPR08系列產品，其作用是檢測切紙輥的切紙原點。把切點作為原點信號輸入到單片機中，切紙輥每旋轉1圈，接近開關檢測1次切刀的原點信號，使單片機不斷地修正切點，防止切點發生偏移導致切長誤差增大。

3.3控制系統硬件接線

切紙機控制系統原理如圖4所示。

由圖4可知，切紙機控制系統采用+24V開關電源為單片機供電，GK800M為控制切紙輥電機M1的變頻器，ACS800為控制送紙輥電機M2的變頻器。圖4中，編碼器PG1安裝在電機軸上，等電機運動后將采集到的脈沖輸入到變頻器GK800M中作為一路閉環。變頻器通過自帶的編碼器反饋卡將采集到的脈沖輸入到單片機中。而編碼器PG2將采集的脈沖直接輸入到單片機，單片機將得到的兩路脈沖經過運算后通過A1接口將模擬量輸入GK800變頻器中。輸入量為0～20 mA的電流信號對應的是0～1500 r/min的電機轉速。原點開關通過單片機端口I將原點信號送入到單片機。

4切紙機控制系統軟件設計

切紙機控制系統的軟件設計是通過單片機完成實現的。利用STM32單片機進行編程，可實現各部分的功能。切紙輥控制流程如圖5所示。從圖5可以看出，在控制系統啟動后，經過定時中斷自動讀取送紙輥和切紙輥的脈沖個數，將兩個脈沖數換算到統一標度下，然后求差值進行增量式PID的運算，得到切刀的控制量，輸入到模擬量輸出。

式中，S1為送紙輥線位移距離;S2為切紙輥線位移距離;C1為送紙輥實時采集的編碼器脈沖數;C2為切紙輥實時采集的編碼器脈沖數;K1為送紙輥傳動比;K2為切紙輥傳動比;D1為送紙輥直徑; D2為切紙輥直徑; h1為送紙輥編碼器線數; h2為切紙輥編碼器線數;P為切紙輥線位移距離與送紙輥線位移距離的比值。

通過式（3）即可求出P，將采集的送紙輥編碼器脈沖數乘以該系數，就可以和切紙輥脈沖數換算成統一的標度了。

切長設定流程圖如圖6所示。可以通過按鍵輸入需要的紙張切長，即可將切長寫入單片機程序中，單片機會重新計算切長的給定。

5控制系統參數設置與實驗驗證

5.1參數設置

在使用控制系統之前，需要對相關的參數進行設置。送紙輥變頻器和切紙輥變頻器均采用面板控制的方式，即利用面板上的按鈕控制電機的啟停和電機速度的給定。所需設置的參數如表1所示。通過這些參數設置，需要得到的是實際反饋切長、進行增量式PID運算的基準值以及切刀輥電機速度的給定。

5.2誤差分析

通過設置參數得到送紙輥半徑為272 mm，則送紙輥的周長為1709 mm。送紙輥編碼器線數為2048，那么經過硬件電路4倍頻以后為8192，即送紙輥轉動一圈會產生8192個脈沖。

這時可以計算出每一個脈沖對應的長度為L，精確到小數點后4位，L值約0.2086 mm。設計需要得到的精度為±1 mm，即切紙輥每轉一圈對應鎖存在單片機里面脈沖誤差的個數應保持在±4個之內，如果誤差脈沖個數超過這個范圍，則精度不能達到設計要求。

5.3實驗驗證

為證實控制系統的可行性，對設計的控制系統進行實驗驗證。通過上面硬件設計和軟件分析，切紙輥電機速度的給定值是由多個參數共同決定的。包括送紙輥電機轉速、設定的切長、PID運算的結果。

實驗時先啟動切刀的變頻器。切紙輥電機雖然啟動，但速度為0。然后啟動送紙輥變頻器，給定送紙輥電機一個初始速度，實驗設置為419 r/min。通過按鍵在單片機上設定切長為1092 mm，此時切刀的編碼器脈沖數為0，單片機將采集到的兩路脈沖數進行運算后，作為切刀電機速度。經過不斷的PID調節之后，單片機給定切紙輥電機的轉速會趨近一個穩定值，經過單片機計算最后輸出的轉速為100 r/min。通過單片機，對送紙輥和切紙輥的電機轉速進行采集。采集到的數據結果如圖7的曲線所示，縱坐標為放大100倍后的電機轉速，橫坐標為采集到的1000個數據，圖中切紙輥可以比較穩定地跟隨送紙輥，雖然會有一定的速度波動，但不影響整體的穩定性。

根據以上誤差分析，每一個脈沖對應的長度為0.2086 mm，在切長為1092 mm時，理論上切刀每切割1次，單片機應該采集脈沖個數應該為5324。經過實驗，對單片機實際采集到的脈沖數進行分析，與理論值的差值都在±4個脈沖之內，說明切割的精度滿足目標±1 mm。

6結語

在分析了切紙機工藝流程的基礎上，提出了變頻控制與伺服控制相結合的方法。對控制系統的硬件和軟件進行設計。硬件主要進行系統的總體結構和主要器件選型，軟件主要用單片機對切紙輥給出設計思想和參考流程圖。對設計的控制系統進行了實驗驗證，結果表明，切紙輥可以比較穩定地跟隨送紙輥運動，切紙的精度也在±1 mm之內，滿足設計的要求。

參考文獻

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（責任編輯：常青）