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1、摘要摘要本论文介绍一种香烟包装机撕带供给控制系统的设计，提供了一种电气传动方式的撕带供给控制系统的设计。该系统采用永磁式直流伺服电机为驱动源驱动撕带轴的转动，向包装机机构供给撕带。运用脉冲宽度调制（PWM）技术设计的电机驱动电路；采用80C51单片机为核心，运用闭环控制技术，并应用了信号隔离转换器等传感元件，控制永磁式直流伺服电机的运行，从而控制撕带轴的转动速度，保证撕带能够按机器包装的适时需要平稳供给。关键词：撕带 PWM 单片机 直流伺服电机 26ABSTRACTABSTRACTThis thesis introduces the development of the tear tape
2、feeding control system with electric transmission on the cigarette packing machine. The permanent magnetic servo DC motor is used as the driving source of making the axis of the tear tape rotate to feed the packing mechanism with the tear tape.The Pulse Width Modulation(PWM) technology is used to de
3、sign the driving circuitry in the control system.The 80C51 Single-chip Microprocessor is used as the core processor, the close loop control technology, signal isolate converter are applied to control the permanent magnetic servo DC motor to control the rotating speed of the axis of the tear tape. So
4、 the tear is ensured to be fed steadily according to the demands of the packing machine at any time.Key words: Tear tape PWM Microprocessor Servo DC Motor 目录目录摘要IABSTRACTII前言IV1. 绪论11.1 选题背景及研究意义11.2 研究步骤、方法12 方案论证22.1 系统原理22.2 系统框图23 硬件设计33.1 撕带电机的选用33.2 驱动方式43.3 驱动电路的工作原理53.4 控制方式64 驱动单元的设计84.1 电压
5、脉宽转换器84.2 开关功率放大器95 控制单元的设计125.1 线性光电隔离电路125.2 模数（A/D）转换7145.3 数模（D/A）转换176. 软件设计186.1 主程序186.2 控制算法及PI运算程序196.3 数据采集程序216.4 控制计算子程序23结论26参考文献27致谢28附录29前言前言烟草行业是我国国税收入的重要来源。全国有许多大中型卷烟厂所生产的产品经常处于供不应求的状态。如何保证生产设备的正常运转，使产品的包装质量和生产效率得到应有的保证，是卷烟厂始终面临的重要课题。其中撕带的供给系统又是香烟包装的重要的一部分。撕带由专门的生产厂家生产，成品缠绕在撕带轴上，作为香
6、烟包装生产的原辅材料提供给卷烟厂。香烟生产过程中，撕带轮被固定在包装机上，由包装机上的同步传输供给机构拉出撕带并传输到包装环节。改造撕带供给的方式，取消笨重的机械式供给机构，从根本上消除机械噪音和机械传动误差产生的不良影响;采用电动机驱动撕带轴，撕带供给由被动供给变为主动供给，驱动撕带轴的电动机的转速由包装机的主驱动电动机的转速决定，以计算机为核心附加外围电子线路组成调速系统以调节和控制电动机的转速变化，使包装机在运行过程中撕带的供给量与实际需求同步。使撕带能够适时、平稳的供给，提高香烟的包装速度。1. 绪论1.1 选题背景及研究意义在卷烟厂制造香烟的自动化生产过程中，撕带包装是香烟包装过程中
7、的重要的组成部分。撕带的供给速度要时刻随着整机运行速度的改变而改变，时刻与整机的运行同步。此环节的运行是否正常直接关系到整个包装流程是否能顺利的进行，关系到生产效率和产品的包装质量。香烟包装是香烟生产的重要环节，铝箔纸包装、商标纸包装、撕带与透明膜包装、条盒包装等过程。其中撕带包装的作用是为了使烟包美观、增加防伪标识以及给消费者查封烟包时带来方便。在传统的撕带供给系统中，主电机通过机械传动机构驱动机器上包括撕带传输供给机构的各个相关部分运转。撕带传输供给机构的运转速度与主电机的运转速度成正比，实现了包装与撕带供给的同步。但这都存在着难以避免的缺陷：机械传动装置体积大，结构复杂，运行噪音大, 随
8、着时间的推移，由于机械零件的磨损，同步机械传动装置在运行中易产生误差积累，使撕带的供给与整机的运行在同步上产生偏差，撕带受力发生变化，从而影响产品的包装质量，有时还会出现撕带断开的现象。这种现象在机器启动、急停等情况下表现得尤为明显，严重影响了生产的正常进行。这对于时间就是效益的卷烟厂来说是无法接受的。鉴于上述原因，许多卷烟厂迫切要求改进撕带传输供给机构，以克服上述影响生产的不良因素，确保包装生产的正常进行。设计出一套运行稳定可靠、实用的撕带供给控制系统，已成为一项重要课题。1.2 研究步骤、方法 第一：根据所选的题进行理论知识的收据，研究题目所涉及到的内容，能够较好的掌握有关题目的知识。第二
9、：收集与所选题相关的硬件资料，并确定各个部分所需要的各种芯片。第三：根据课题要求，提出大体系统框架，并在框架的基础上画总体的原理图。第四：确定以单片机为核心的硬件电路图，并实现各种芯片与单片机间的通信。第五：根据系统控制过程完成软件设计部分，绘制出主流程图及各个子流程图。第六：调试软件，使系统软件与硬件和结合，根据试验结果撰写论文。2 方案论证2.1 系统原理按照设计方案所设计的撕带传输供给系统的工作原理如下：运用脉冲宽度调制（PWM）技术设计所产生的信号去驱动电动机，并用电动机驱动撕带轴转动，实现撕带的主动供给。撕带电机的转速由撕带供给控制单元及驱动单元进行控制。主驱动电机上的测速发电机信号
10、的大小是包装机运行速度的直接反应，可将该信号进行处理并送入控制单元作为撕带电机的同步转速给定信号。控制单元以单片计算机为核心组成调速系统，单片机对撕带电机的转速给定信号及转速和电流反馈信号进行处理、运算，最终输出.正确的控制信号给驱动单元，驱动单元根据控制信号的大小驱动撕带电机以一定的转速转动，即可实现撕带电机稳定运行并快速跟随整机的运行速度，达到撕带供给与整机运行同步的目的。以上是撕带供给控制系统的总体设计方案，系统的主要职能是控制撕带电机的转动速度。可将系统从各部分结构功能上划分为外围检测与执行元件和内部控制系统两大部分。2.2 系统框图-接口_+控制单元驱动单元主电机的测速发电机MG撕带
11、轮及撕带系统图1 系统框图3 硬件设计3.1 撕带电机的选用在包装过程中，当出现包装机本身必要的辅助材料衔接以及连续剔除不合格烟包的情况时，机器需要自动降速运行;上游机原料及半成品供应不连续时，包装速度也要自动适时调节甚至短暂停机;包装机运行时，若出现故障需要立即停机;等等。因此包装机的运行速度并非固定不变，有时波动性很大。为了保证撕带供给与包装同步，要求撕带电机必须满足以下要求:响应速度快 撕带电机必须能够以足够的精度快速跟踪整机的运行速度。性能稳定 要求撕带电机调速范围宽，尤其要求低速特性稳定。根据以上设计要求，应以伺服电机为选择对象: 伺服电机可分为直流和交流两类。和相应的普通电动机相比
12、，在基本原理和结构上没有特别明显的差别。但由于是伺服元件，所以伺服电动机和普通电动机在性能要求上截然不同。伺服电动机有灵敏度高(电动机始动电压小)、动态响应快(机械时间常数和电磁时间常数小)、机械特性和调节特性线性度高等控制性能。直流伺服电机由直流电源供电，是靠电枢电流与主磁场作用产生电磁转矩，使电机旋转。直流类电动机具有优良的控制特性，控制方法经济实用。直流伺服电机的调速和控制性能优异，转速选择范围宽，因此直流伺服电机主要用于需要速度控制的高性能电力拖动和伺服控制方面，广泛应用在宽调速系统和精确控制系统中，它有以下特点:i. 稳定性好 直流伺服电机具有下垂的机械特性，能在较宽的速度范围内稳定
13、运行。ii.可控性好 直流伺服电机具有线性的调节性能，能使转速正比于控制电压的大小;转向取决于控制电压的极性:控制电压为零时，转子惯性很小，能立即停止转动。iii.响应迅速直流伺服电机具有较大的启动转矩和较小的转动惯量，在控制信号增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电机能快速起动、快速增速、快速减速和快速停止。直流电机具有电刷及换相器装置，运转时存在换相火花和无线电干扰，这是它的不足之处。对交流伺服电机来说，交流伺服电机具有过载能力强，无换相部件，体积小，精度高等诸多优点。但目前而言，对交流伺服电机的控制技术还相当复杂。所以不作为本课程设计的选择。本设计对驱动电动机最主要的要求，是良好的调速性能和
14、起、制动性能，直流伺服电机容易满足这一要求，能方便地、经济地在大范围内平滑地调速，综上所述，经过对比论证，本设计选用直流伺服电机做为撕带电机，用以驱动撕带轮转动。为了使线路简洁，选用永磁式直流伺服电机(Permanent Magnet DCServo Motor )。永磁式直流伺服电机的主磁场是由永久磁钢产生的恒定励磁磁场，不需要励磁电源和励磁线圈。所以永磁直流伺服电机结构简单、体积小、重量轻、安装方便。此外，永磁式直流伺服电机还具有高转矩/惯量比、动态晌应快、低速脉动小、调速范围宽、低速转矩大、过载能力大、高效节能等特点，完全可以满足本设计的要求1。3.2 驱动方式直流伺服电机是用直流供电的
15、，为调节电动机的转速，可对其直流电压的大小进行控制。在本设计中采用晶体管脉宽调速驱动方式（PWM）控制撕带电机的运转。该驱动方式是将一个控制电压Uk转换成宽度与Uk成比例的脉冲方波给直流伺服电机的电枢回路供电。图2为脉宽直流驱动的原理图。 图2 脉宽直流驱动原理图 a)控制电路图 b)电压-时间关系图控制电压Uk控制开关S周期性的闭合、断开。使加到电机两端的电压为一脉冲方波。当控制电压Uk变化时，脉冲方波的幅值不变而振荡周期(占空比)发生变化，从而改变了电机电枢回路的平均电压值UA，电机的转速发生变化。设脉冲方波的幅值为U,振荡周期为T，方波在一个周期内所占的宽度为，当从0到T之间变化时，则一
16、个周期内电枢回路的平均电压值UA为: UA=dt =U = U式中= /T为导通率。当T不变时，只要连续地改变（0-T）就可以连续地使UA由0变化到U，从而达到连续改变直流电机转速的目的。在实际应用的PWM系统中，脉冲方波靠大功率三极管或大功率场效应管MOSFET等工作在开关状态来实现。其开关频率可从2KHZ 20KHZ，使振荡周期T比电动机的机械时间常数小得多，故不至于引起电动机转速的脉动。并且PWM脉宽调速驱动方式有诸多的优点：线路简单，管耗小，系统效率高，在开关频率高时，电流波形好，谐波小、可使系统的低速性能好，调速范围宽、快速响应和动态性能都教好。因此PWM脉宽调速驱动方式很适用本课题
17、的中小功率范围的驱动及控制系统2。3.3 驱动电路的工作原理 图3为本设计所采用的单极性PWM直流调速驱动电路。单极性驱动即是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈单一变化。图3 单极性PWM直流调速驱动电路图图中TI、T2、T3、T4是起开关作用的大功率晶体管，D1、D2、D3、D4为续流二极管。在电机电枢同一侧的晶体管T1和T2的基极控制电压反相，使TI和T2工作在交替的开关状态。电机电枢的另一侧的T4处于饱和导通状态，T3工作在截止状态。当需要改变电机的电枢电压极性时，可令Tl截止，T2饱和导通，T3和T4交替工作。当要求电动机正转工作时，平均电压UA大于感应电动势EA,在每个PW
18、M周期的0t时,T1导通，T2截至。电流Ia经T1、T4,从A到B流过电枢绕组，在tT,T2导通，T1截至，电动机与电源断开，这时电枢电流减小，电枢电感释放能量，维持续流电流，电枢电流方向不变，此时电流I经T4、D2从A流到B再到T4构成回路。此时由于二极管D2的导通，T2实际是不能导通的。下一周期重复上述过程。当电动机在进行减速运行时，平均电压UA小于感应电动势EA,在每个PWM周期的0t,在感应电动势和自感电动势共同作用下，电流经二极管D4、D1流向电源，方向是从B到A，电动机处于再生制动状态。在每个PWM周期的tT,T2导通，T1截止，在感应电动势的作用下电流经T4,D2仍然是从B到A流
19、过绕组，电动机处在耗能制动状态。下一周期重复上述过程。3.4 控制方式 针对本设计要求直流电机稳定运行和快速反应的场合，采用转速电流双闭环反馈调速方式。图4为双闭环PWM调速系统结构图。 图4 双闭环PWM调速系统结构图ASR、ACR分别为转速调节器和电流调速器 PWM为脉宽调速驱动单元M表示直流伺服电机 G代表测速发电机图3-5中各个输入输出信号的含义为: Ugn速度给定 Ufn速度负反馈 Ufi电流负反馈 Ugi转速调节器(ASR)输出 Uk电流调节器(ACR)输出 Ud脉宽调速驱动单元输出电压平均值Id电机电枢电流控制单元的工作过程:a)当速度给定信号电机Ugn=0时，ASR, ACR输
20、出为零，电机转速n=0。 b)当Ugn0,电机开始启动，转速偏差UN = Ugn-Ufn0由于电机的惯性相对于调节器来说很大，因此ASR的输出Ugi很快达到限幅值Ugim，即ASR处于饱和状态。这个限幅值加到电流调节器(ACR)的输入端，使ACR的输出Uk上升，因此PWM脉宽调速驱动单元的输出电压平均值Ud上升，电机的转速开始上升。由于电机惯性的原因，其反向感应电动势不能立即升上来，从而电机的电枢电流Id很快升高并达到设计时所选定的最大值Idm，使电流负反馈电压Ufi达到最大值Ufim。此后由于ASR一直处于饱和状态，速度环相当于开坏，速度反馈不起作用，只有以ACR为主的电流环发挥调节作用，以
21、保持电流Idm的恒定，使电机的转速及其反向感应电动势在恒定电流Idm状态下按线性规律上升，直到电机的转速达到给定的转速，整个系统表现为恒值电流调节。 c)当电机转速上升到使转速偏差UNUt时，比较器输出满幅的正电平；当Ui 0Ui0图7 电压脉宽转换器的脉宽调制波形图4.2 开关功率放大器本设计中直流伺服电机的转动方向是不变的，因此电机的电枢电压极性是不发生改变的。设计中的应用电路即是图3的单极性PWM直流调速系统。其中Ub1接图4-2电压脉宽转换电路的反相输出端，Ub2接电压脉宽转换电路的正相输出端。图8为电机正常工作时的电气波形图（左图）及电机制动是的电气波形图（右图）。电机在运行状态：0
22、 t t1，此时Ub1为正，T1饱和导通；Ub2为负，T2截止。电机的电枢电流i由A端流向B端。当t1 t T时，Ub1为负，T1截止。但由于回路电感电势的作用使D2导通，D2的导通使D2的管压降给T2施加反压，使T2不能导通。电枢电流i由A流向B再到T4流经D2流回A构成回路。在这阶段，T1与D2交替导通，而T2与D1处于截止状态。电机电枢电压UAB大于其反电动势E，电枢电流i大于零。 图8 直流伺服电机工作电气波形图制动状态：在控制电压突然减小的瞬间，电机电枢电压UAB减小，而电机转速及其反电动势来不及改变，于是电枢电压UAB其反电动势E。在t1 t T期间，T2饱和导通，电枢电流i由B流
23、向A再流经T2流向D4最后流回B形成回路，形成能耗制动；在T t 0时，比较器输出正脉冲宽、负脉冲窄的矩形波Us，占空比增加，伺服电机的转速上升。 当Ui I2R2导致运算放大器A1输出端电压升高，通过发射二极管的电流I1也随之增大，由于I2=I3=KI1，因此I2 , I3也增大，最终调节的结果是Ui= I2R2，又因为输出电压信号Uo=I3R3=I2R2，因此输出电压U。与输入电压Ui相等，U。随着Ui的增大而线性增大。反之，当输入电压Ui降低时，运算放大器A1输出端电压降低，通过发光二极管的电流I1也随之减小，与上类似，输出电压U。也随输入电压Ui的降低而减小，但仍保持Uo=Ui，因此实
24、现了模拟量的1: 1隔离传输。该电路外接电路简单，线性度好，输出的最大非线性失真小于0.1，完全能够保证转换精度。5.1.1 数据采样保持电路数据采样保持器是计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。它是连接采样器和模数转换器的中间环节。采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。在模数转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值。在本设计中，由光电隔离输出为模拟量输出，在信号输入单片机前要将信号转换为数值量输入。由于模拟量随时间连续
25、变化，而完成A/D变换需要一定的时间，为使A/D变换结束时的值能代表采样时的模拟量值，应该在转换时间内保持输入到A/D转换器的模拟量不变，因此在光电隔离和模/数转换间加入数据采样保持器。在本设计中采用LF398型采样/保持器。LF398是一种反馈型的采样保持放大器，具有采样速率高，保持电压下降慢和精度高等特点。图11为LF398的功能框图6。图11 LF398采样保持器功能图 PI运算子程序取Kp作被乘数，暂存取e(k)作乘数计算Kp,e(k)，结果暂存取K1作被乘数，暂存取e(k)作乘数 计算K1e(k)取上一次累加值K1 计算K1e(k) + K1 并保存计算P(k) = Kpe(k)+K
26、1 子程序返回图15 PI运算子程序流程图6.3 数据采集程序控制单元要定时采集输入的信号。在控制过程中，计算机要控制数据采集的间隔时间，即采样周期。本系统由于电流环与速度环所针对的控制对象不同(分别是电流和转速)，二者的运行时间常数不同(电流环运行时间常数较小)，因此所要确定的采样周期并不相同。可用单片机内部定时器T0, Tl分别确定采样周期。设计中，T0作为电流环输入参数(Ufi)的采样周期定时器，T1作为速度环输入参数(Ugn和Ufn )的采样周期定时器，定时时间T0T1。每次定时时间到，向CPU发出中断申请，以启动数据采样及A/D转换。图16为电流环数据采集中断服务程序流程图。图17为
27、速度环数据采集中断服务程序流程图。在速度环数据采集中，速度给定与速度反馈的采样时刻存在时间间隔，但间隔极短，即使在T1程序运行过程中又运行了优先级更高的T0中断程序，间隔时间也可控制在微秒级内，远小于电动机的机械时间常数。因此不会造成控制偏差。T0中断服务子程序 保护现场 开中断重置定时器T0初值置电流反馈通道(IN-1)地址数 启动A/D转换 延时150 S读A/D转换后的数据Ufi 值Ufi值存入电流反馈存储单元 恢复现场中断返回图16 电流环数据采集中断服务程序流程图T1中断服务 保护现场 开中断重置定时器T1初值置速度给定通道(IN-0)地址数 延时150S读A/D转换后的数据值数据值
28、存入存储单元调速度环控制计算子程序 恢复现场中断返回图17 速度环数据采集中断服务流程图6.4 控制计算子程序控制计算子程序是系统的数据的处理环节。在系统采集数据后，立即进入相应的控制计算子程序，数据处理结果将作为下一个控制环节的给定值。这就使的执行机构能够得到及时有效的控制。在本设计中有速度环控制和电流环控制子程序。图18为速度环控制计算子程序流程图，图19为电流环控制计算子程序流程图。NNNYYY读速度给定值Ugn，反馈值Ufn计算偏差e(k) = Ugn - Ufn速度控制器输出饱和？e(k) 0A 限幅值Ugim电流给定单元 A 子程序返回NA 限幅值UgimA 0A 限幅值Ugim图
29、18 速度环控制计算子程序流程图NYNY读电流给定值Ugi、反馈值Ugi计算偏差e(k) = Ugi - Ufi电流控制器输出饱和？e(k) 0?送电流环的Kp,K1、K1值 调PI运算子程序A 结果A 0?A限幅值UkmUk存放单元 A子程序返回A 0A 限幅值UkmA 限幅值UkmNYTYN图19 电流环控制计算子程序流程图结论结论本设计从实际出发，对卷烟包装机的撕带供给的特点进行分析，对传统的机构进行了电气化改造，应用了直流伺服电极，依靠其优良的伺服性能，并采用PWM脉宽调制驱动方式及双闭环调速方式，很好的提高了撕带供给的稳定性，加快了动态反应速度，同时提高了驱动环节的整体工作效率。并以
30、单片机为核心进行数据采集、转换和控制运算，使系统具有硬件简化、结构紧凑、控制精度高、控制灵活等一系列优点。在设计中也还存在很多不足之处，如没能设计出在系统出现故障或是需要剔除不合格的产品时实现很好的暂时停机。本设计中还存在诸多不完善的地方，希望老师能够多提一些见解。使本设计在以后的实际的生产中能有好的应用。参考文献参考文献1 顾绳谷.电机及拖动基础M.北京：机械出版社.20032 史国生.交直流调速系统M.北京：化学工业出版社.20023 范正翘.电力传动与自动控制系统M.北京：北京航空航天大学出版社.20034 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社 .19975 袁任光.电动
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34、定义 Ugn EQU R1Ufn EQU R2Ugi EQU R3Ufi EQU R4Uk EQU R5P(k) EQU R6;中断程序入口ORG 0000H ; 程序执行开始地址LJMP MIAN ；调至MIAN执行ORG 000BH ；定时器T0中断入口地址 RETI ；中断返回（不开中断）ORG 001BH ；定时器T1中断入口地址 RETI ；中断返回；主程序MIAN: MOV R1, #00H ;置Ugn初值为零 MOV R2, #00H ；置Ufn初值为零 MOV R3, #00H ；置Ugi初值为零 MOV R4, #00H ；置Ufi初值为零 MOV R5, #00H ；置Uk初值为零 MOV R6, #00H ；置PI运算积分累加值为00 MOV TMOD #11H ;设置定时器T0,T1的工作方式 MOV TH1, #30H ;置定时器T0,T1初值 MOV TL1, #0B0H MOV TH0, #8AH MOV TH1, #0D0H SETB TR1 ;启动定时器T1 SETB TR0 ;启动定时器T0 SETB EA ;开总体中断 SETB ET1 ；开中断T1 SETB ET0 ; 开中断T0LOP: CALL DLKZ ;调电流环控制计算子程序 MOV A, R5 ;读Uk值 MOV DPTR, #7FFFH ; D/A转换程序 LJ