1全自動信封包裝機控制系統硬件設計
1.1電平轉換電路因為DSP的GPIO端口所能承受的電平為3.3V，而解碼芯片HCTL_2021和光耦的輸出信號為5V。為了保證DSP的GPIO端口能正常工作，需要接入電平轉換芯片SN74LVC4245A，該芯片的功能是將5V電平轉化3.3V電平。
1.2解碼電路作為HCTL_2020的改良版，HCTL_2021在穩定性和抗干擾方面都有著突出的表現。交流伺服電機的光電編碼器接入解碼芯片HCTL_2021。解碼芯片內部具有計數功能，當HCTL_2021捕捉到光電編碼器輸出正電平時計數值加1。解碼以后的數據經8位數據線，依次將高8位和低8位輸出至DSP。同時為了節省引腳，本系統設計時將4塊HCTL_2021并聯后接入DSP的GPIO端口。DSP通過軟件設置分時讀取解碼芯片的數據。
2全自動信封包裝機控制系統軟件設計
2.1PID控制算法簡介按偏差的比例、微分、積分進行控制的控制器叫PID控制器。數字PID控制器的原理框圖如圖3所示。其中，r(k)為系統給定值，e(k)為誤差，u(k)為控制量，c(k)實際輸出。PID控制器解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，即系統的穩定性、快速性和準確性。調節PID的參數，可以實現在系統穩定的前提下，兼顧系統的帶負載能力和抗干擾能力。Kp為比例系數；ki=(kp×T)/Ti為積分系數；kd=(kp×Td)/T為微分系數；Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，T為積分周期。當進行PID調節時，系統在運行初期由于偏差過大，會導致調節量u(k)過大，從而導致超調過大給系統帶來很大的沖擊。故需要對（1）式中的e(k)做一定的限幅處理。另外，當系統進入穩定狀態以后，必然會產生一定的穩態誤差，該誤差在一個很小的范圍內波動，如果控制器反復對其進行調節勢必造成系統的不穩定。所以，系統必須設定一個輸出允許帶e0，即當采集到的偏差|e(k)|<e0時，不改變控制量。PID控制程序流程圖如圖4所示。
2.2PID算法在系統中的實現由于本系統的同步控制由一主多從的模式來實現，所以，2、3、4號伺服電機的轉速和位置信號必須跟隨1號伺服電機的轉速和位置信號的變化。DSP中事件管理器模塊的定時器產生頻率可控的PWM波來控制伺服電機，PWM波的頻率控制電機的轉速，PWM波的個數控制電機的位置。設多伺服電機軸編碼器輸出脈沖數偏差值為e(k)，在k時刻電機的實際反饋轉速分別為u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服電機軸同步速度偏差值。根據不同的生產工藝要求可以設定允許偏差值的最大變化范圍△max，當e(k)≤eM時，系統不需要進行調節控制，當e(k)>eM時，需要進行調節控制。本系統以TMS320F2812為控制器實現PID控制。在軟件中設置定時中斷，在中斷程序中，計算各從伺服電機的轉速和位置并與1號伺服電機的轉速與位置信號進行比較，求出偏差值e(k)。經PID調節，對于偏差做出快速反應和補償。本系統的軟件處理采用增量式調節。（3）式中，△u(k)為1號伺服電機控制量增量，其中i=2，3，4；u1(k)、ui(k)、ui(k-1)、ui(k-2)分別是k、k-1、k-2時刻1號伺服電機及i號電機軸的編碼器輸出脈沖采樣值；Kp是比例系數；Ki是積分系數；Ki=KpT∑i；Kd是微分系數，Kd=KpT∑d；T是采樣周期；∑i是積分時間常數；∑d是微分時間常數。
3系統設計中遇到的問題及解決方法
1同步啟動為了保證4臺伺服電機的位置相同，本系統設計了同步啟動程序。由于伺服電機每次轉到其固有零點時會發出一條高電平信號Z，將該信號接入DSP的捕獲引腳。當DSP捕獲引腳捕捉到高電平跳變時，立即PWM波的輸出，使伺服電機停止在固有零點處。當4臺伺服電機都停止后，延遲一定時間，再同時啟動4臺電機，這樣就實現了同步啟動。2數據的.分時讀取每臺伺服電機反饋的QEP編碼信號通過HCTL_2021解碼后都會產生8路數據輸出信號，4臺伺服電機將會產生高達32路的數據輸出信號，如果直接連到DSP的I/O，將會極大地占用DSP的I/O口，不利于DSP的充分利用。此時，DSP分時讀取4塊解碼器HCTL_2021的數據輸出信號成為有效的解決辦法。實驗中，伺服電機在運轉過程中每轉一圈將輸出2500個QEP編碼脈沖，將每一路編碼脈沖經過光耦隔離后送入到HCTL_2021的信號輸入端進行解碼。本系統在軟件上采用中斷方式分時讀取GPIO上4塊芯片的解碼結果。并將1號伺服電機的信息保存到變量date1中。2、3、4號伺服電機的信息分別存放在變量date2、date3、date4中。通過分時讀取，作者解決了DSP引腳不足的問題，最大限度的利用了DSP的引腳資源。特別需要注意的是：由于數字電路的電平轉換需要一定的時間，所以在改變控制信號的電平后需要延遲一定時間，等其真正穩定。分時讀取程序的流程圖如圖6所示。
4實驗結果及結論
系統硬件和軟件調試完成后，作者選擇了韓國MECPAPION公司的交流伺服電機，并且依照廠方產品設計要求確定了四臺伺服電機的型號分別為APM-SE12MDK、APM-SE09MDK、APM-SE09MDK、APM-SE06MDK，并在負載條件下進行了不同轉速的同步運行實驗。實驗結果表明，當轉速小于500r/min時，系統穩定；當轉速大于500r/min小于900r/min時，系統將會出現稍微的誤差，但誤差產生后PID控制器將會及時糾正誤差；當轉速大于900r/min時，系統誤差嚴重，本系統不能及時糾正誤差，導致誤差隨時間積累，一定時間后將會超出控制范圍而導致信封包裝機不能夠正常工作。在這種情況下，需要使用更高頻率的DSP或者使用更大慣量比的伺服電機。
作者：朱家驥 單位：鹽城工學院電氣工程學院
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