皮帶夾送傳輸控制算法

薛紅昌 廖清 吳愛明 潘錦明 廖小健

摘? 要：通過對比兩種傳動鏈傳輸方案優(yōu)缺點，挑選性價比更優(yōu)的皮帶夾送傳輸方案。為解決步進電機高頻轉(zhuǎn)矩低的缺點，通過負載自動檢測控制算法，電機能“感知”外部負載變化，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，既能使皮帶傳輸通道高效傳輸，又能避免電機長期低速運轉(zhuǎn)的發(fā)熱問題。同時闡述一種用Excel表分析步進電機加減速曲線的方法，方便調(diào)試步進電機曲線性能。

關鍵詞：皮帶夾送;傳動鏈;加減速曲線;負載檢測算法

中圖分類號：U293.2? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）06-0146-04

Abstract：By comparing the advantages and disadvantages of the two transmission schemes，the belt pinch transmission scheme with better cost performance is selected. In order to solve the problem of high frequency low torque of stepping motor，through the load automatic detection control algorithm，the motor can “sense” the external load change，automatically adjust the motor speed and torque，so that the belt transmission channel can not only efficiently transmit，but also avoid the heating problem of long-term low-speed operation of the motor. At the same time，a method of using Excel to analyze the acceleration and deceleration curve of stepping motor is described，which is convenient to debug the curve performance of stepping motor.

Keywords：belt pinch;drive chain;acceleration and deceleration curve;load detection algorithm

0? 引? 言

《自動售檢票系統(tǒng)關鍵模塊專用檢測裝置》已闡述專用檢測裝置工作原理。本文闡述傳動鏈機構(gòu)設計及控制算法。傳動鏈機構(gòu)的作用是將硬幣/發(fā)卡模塊清理下來的硬幣/票卡從低處傳輸至高處的補幣暫存器。

該傳動鏈機構(gòu)有2種設計方案。如圖1所示，循環(huán)兜垂直傳輸方案中，循環(huán)兜可沿滾珠絲桿垂直運輸硬幣/票卡。當硬幣/票卡沿水平皮帶進入處于B位置的循環(huán)兜，循環(huán)兜沿著滾珠絲桿上升至A位置。硬幣在重量作用下進入補幣暫存器。當循環(huán)兜上升或下降過程中，水平傳輸帶無法繼續(xù)傳送硬幣/票卡，傳輸效率低。為提升傳輸效率，需選用高速無刷電機并加大循環(huán)兜容量。隨著循環(huán)兜容量增加，又導致H1，H2空間較大，檢測裝置高度變高，不利于進出電梯搬運。如圖2所示，皮帶夾送傳輸方案可選用低成本步進電機，檢測裝置高度較低。硬幣/票卡可源源不斷傳輸，傳輸效率高。通過對比，本文選用皮帶夾送傳輸方案。

1? 皮帶夾送傳輸方案設計

1.1? 外觀圖及傳輸原理示意圖

由于硬幣/票卡傳輸距離較長，由2節(jié)皮帶共同完成硬幣/票卡傳輸任務。每節(jié)傳輸通道由1個步進電機驅(qū)動。步進電機配有手輪（如圖2中11，14所示），傳輸通道側(cè)面為透明亞克力板設計，方便觀察硬幣/票卡傳輸狀態(tài)及清理卡幣。電機選用信濃步進電機（步距角1.8°，型號：STP-59D3175）。光電傳感器選用艾禮富ALEPH U型傳感器（型號：OJ-451-J38），信號上升沿/下降沿典型值15 μs，可滿足500線光電碼盤高速信號采集。硬幣/票卡沿著圖3中的虛線曲線所示，從下往上傳輸。

500線光電碼盤一轉(zhuǎn)產(chǎn)生500個脈沖，假設100.0 ms中檢測到的脈沖數(shù)為mpPulse，則步進電機PPS脈沖數(shù)與100.0 ms檢測時間內(nèi)的脈沖數(shù)的對應關系為：

vRPM=（1/6）*PPS*步進角=（1/6）*PPS*1.8=（mpPulse/ 500）*10*60

則mpPulse=（1/4）*PPS

通過100.0 ms內(nèi)采集到的mpPulse便能推斷出當前步進電機處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)還是失步狀態(tài)，失步狀態(tài)檢測誤差范圍5%，精度要求不高。

1.2? 主控CPU與步進電機驅(qū)動電路設計

如圖4所示，主控CPU選用LPC1788芯片，步進電機驅(qū)動芯片選用SLA7078MPRT芯片。SLA7078MPRT芯片的Vref參考電壓和電機電流公式：

Vref=I*0.155（Vref參考電壓取值范圍：0.100 V～0.450 V）

步進電機限流值為2.8 A，則Vref=0.434 V

LPC1788的P0.12/AD0[6]與SLA7078的SenseA連接，可采樣電機電流，確保電機不會堵轉(zhuǎn)等故障現(xiàn)象。LPC1788的P2.31與SLA7078的Flag連接，當SLA7078故障時，LPC1788能及時獲知故障狀態(tài)。當SLA7078因故障處于保護狀態(tài)后，需斷開開關S，使SLA7078重新上電，F(xiàn)lag才能恢復正常工作狀態(tài)。

2? 步進電機加減速曲線設計

根據(jù)參考文獻[1]中推導的步進電機加速曲線公式：

通過以上計算，一般認為當n等于g的2～3倍時，步進電機已到達目標頻率。

假設fm取值10 000 Hz。步數(shù)N取值120，用Excel表格計算步進電機加速數(shù)據(jù)（如圖5所示）。當g=10，g=50，g=100時，查看對應加速曲線圖（如圖6～圖8所示）。g越小，則步進電機加速曲線越陡峭，加速到目標頻率的時間越短。當g越大，則步進電機加速曲線越平緩，加速到目標頻率的時間越長。通過加速曲線圖對比，可直觀評估步進電機加速曲線設計是否合理。為節(jié)省CPU芯片計算加速曲線的運算量，可用Excel表格提前計算完成加速度表格，存入LPC1788單片機內(nèi)部，方便CPU程序調(diào)用。

3? 負載自動檢測控制算法

假如硬幣/票卡扎堆從收集審計器1或收集審計器2出來，那么會若干個硬幣/票卡疊加在一起進入皮帶傳輸系統(tǒng)。疊加硬幣/票卡數(shù)量越多，皮帶傳輸阻力越大。因此，收集審計器1、2需一枚一枚間隔出幣，避免硬幣堆積，減輕皮帶傳輸阻力。

硬幣/票卡通過滾輪或吸卡時，傳輸阻力明顯變大。當通過這兩類節(jié)點，傳輸阻力變小。1元人民幣硬幣直徑25 mm，票卡直徑30 mm，票卡通過滾輪的阻力比1元硬幣通過滾輪的阻力大。為應對傳輸阻力突發(fā)變化，步進電機的最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩需滿足一定要求。步進電機矩頻特性曲線顯示，隨頻率升高，電機轉(zhuǎn)矩急速下降。為滿足最大動態(tài)轉(zhuǎn)矩需求，如步進電機長期工作在低速狀態(tài)，又面臨電機發(fā)熱嚴重的問題。

根據(jù)電磁感應定理，步進電機輸出轉(zhuǎn)矩和電機線圈電流成正比。步進電機驅(qū)動電路設計完成后，電機線圈充電時間常數(shù)保持不變。如電機驅(qū)動脈沖頻率高，則電機線圈充電時間短，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小，同時發(fā)熱量也小;反之亦成立。當電機負載小時，轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、發(fā)熱量小。當電機負載大時，轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、發(fā)熱量大。為解決步進電機發(fā)熱問題，皮帶傳輸效率及傳輸阻力突變，需自動控制步進電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)測試，當步進電機最低轉(zhuǎn)速為3 r/s時，轉(zhuǎn)矩可滿足皮帶傳輸中最大的負載傳輸。假設步進電機同步帶輪R=0.01 m，則皮帶傳輸最低線速度V=W*R=3*2*3.14*0.01=0.188 4 m/s≈0.2 m/s，其中W為角速度。在5.0 s內(nèi)，可讓大負載傳輸離開該節(jié)皮帶。

如圖9所示，將從步進電機升速/降速過程分成N步。每隔100.0 ms檢測步進電機是否失步。假如失步，則降速一步;假如升速過程未失步，則升速一步;如已升速至最高速度，則步進電機保持最高轉(zhuǎn)速;假如降速過程未失步，則認為當前電機轉(zhuǎn)矩與負載大小基本平衡。此時轉(zhuǎn)矩維持5.0 s，避免頻繁調(diào)速。假如降速過程檢測電機過流，則電機停機并報錯。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，針對皮帶傳輸中的阻力突變現(xiàn)象，巧妙利用步進電機矩頻曲線特性，通過負載自動檢測控制算法，實現(xiàn)皮帶傳輸自適應負載突變，滿足自動售檢票系統(tǒng)關鍵模塊專用檢測裝置對硬幣/票卡傳輸?shù)男阅芤蟆Ｒ院?，從步進電機PID閉環(huán)控制，改善電機動態(tài)響應角度入手，提升皮帶傳輸性能。

參考文獻：

[1] 徐煜明.步進電機速度控制的研究與實現(xiàn) [J].工礦自動化，2007（2）：82-85.

[2] 薛承基.電機傳動系統(tǒng)控制 [M].張永昌，李正熙，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3] HAKAN G.工業(yè)運動控制：電機選擇、驅(qū)動器和控制器應用 [M].尹泉，王慶義，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[4] 阮毅，楊影，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[5] 陳白寧，段智敏.機電傳動控制 [M].沈陽：東北大學出版社，2015.

[6] 李海波，何雪濤.步進電機升降速的離散控制 [J].北京化工大學學報（自然科學版），2003（1）：92-94.

[7] 陳愛國，黃文玲，楊紅紅.步進電機升降速曲線的研究 [C]//中國電工技術學會.第11屆全國電氣自動化電控系統(tǒng)學術年會論文集，2002：311-313.

[8] 劉亞東，李從心，王小新.步進電機速度的精確控制 [J].上海交通大學學報，2001（10）：1517-1520.

作者簡介：薛紅昌（1983-），男，漢族，山西臨汾人，就職于AFC開發(fā)二部，硬件工程師，電子技術工程師，2007年畢業(yè)于長江大學，工學學士，研究方向：自動售檢票系統(tǒng)研發(fā)、硬幣模塊、TOKEN模塊、票卡模塊研發(fā)。