基于STM32單片機(jī)的切紙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

馬文明 嚴(yán)豪魁

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

關(guān)鍵詞：切紙機(jī);系統(tǒng)設(shè)計;切割精度;混合控制

中圖分類號：TS736+.3;TP13

文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)是一種重要的紙張加工設(shè)備，目前，我國國內(nèi)比較主流的切紙機(jī)為橫向切紙機(jī)。橫向切紙機(jī)主要是將造紙機(jī)卷取部的卷筒紙剪切加工成為平版紙張。根據(jù)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(zhuǎn)切刀式。在切紙機(jī)的控制系統(tǒng)中，最重要的是對切紙的精度控制。為使國內(nèi)切紙機(jī)達(dá)到更高的精度，設(shè)計一種高速、高效、高精度的切紙機(jī)控制系統(tǒng)非常有必要[12] 。為提高切紙機(jī)精度、降低控制系統(tǒng)成本，結(jié)合變頻控制和伺服控制，筆者設(shè)計了以STM32單片機(jī)為核心的混合控制系統(tǒng)，以期達(dá)到控制要求。

1切紙機(jī)的工藝流程

切紙機(jī)的工藝流程如圖1所示。切紙機(jī)在正常工作時，來自原紙輥上的成品紙幅經(jīng)過弧形輥后進(jìn)入縱切裝置，縱切裝置的縱切刀根據(jù)廠家設(shè)定的寬度先對紙幅進(jìn)行縱向切割。這樣，一條紙幅經(jīng)過縱切后就剪切成兩條紙幅：一條隨1#送紙輥的牽引進(jìn)入1#切紙輥，另一條由2#送紙輥牽引進(jìn)入2#切紙輥。切紙輥根據(jù)事先設(shè)定好的切紙長度和送紙輥的運行狀態(tài)制定切紙輥電機(jī)的運動規(guī)律，驅(qū)動切紙輥進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，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(shè)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(jìn)行整理和打包[34]。

2控制系統(tǒng)方案設(shè)計

為了保證切紙精度，筆者設(shè)計了基于伺服控制系統(tǒng)的切紙機(jī)方案?；谒欧刂葡到y(tǒng)的切紙機(jī)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(tǒng)，這種控制系統(tǒng)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(tǒng)，對送紙輥采用變頻控制的方式。根據(jù)伺服控制系統(tǒng)的工作原理，只要能夠?qū)⒓垙埖倪\行速度送入到切紙輥伺服控制系統(tǒng)中作為主軸速度，就能夠充分發(fā)揮交流伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)秀特性：動作響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)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(tǒng)方案。

2.1送紙輥設(shè)計

送紙輥電動機(jī)為三相交流異步電動機(jī)，采用普通變頻器驅(qū)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(nèi)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(jī)系統(tǒng)，經(jīng)硬件電路4倍頻以后輸送給單片機(jī)采集，對送紙輥進(jìn)行開環(huán)控制方式。

2.2切紙輥設(shè)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(yīng)時間更短，使得切紙精度更高。

驅(qū)動電機(jī)為高效率三相異步電動機(jī)，功率22 kW。三相異步電動機(jī)配備有1024線路的差分型編碼器，編碼器的輸出連接到驅(qū)動切刀，編碼器脈沖經(jīng)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(huán)，另一路則輸入到單片機(jī)硬件電路經(jīng)4倍頻后供單片機(jī)采集。

伺服系統(tǒng)包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，電流環(huán)的輸出直接決定著逆變器給電機(jī)的驅(qū)動是否得當(dāng)，對精度和響應(yīng)速度的影響非常大;速度環(huán)可以抑制速度的波動，增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力;位置環(huán)能夠保證系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤性能[6]。伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于實際情況限制，控制系統(tǒng)只能通過吉泰科變頻器實現(xiàn)電流環(huán)和速度環(huán)的控制，位置環(huán)則是采用原點開關(guān)來實現(xiàn)，原點開關(guān)安裝在切紙輥電機(jī)上，用來采集兩個原點間送紙輥的編碼器脈沖個數(shù)得到實際切長，從而實現(xiàn)了位置環(huán)控制。整體的切紙輥設(shè)計是一個伺服控制系統(tǒng)。

3切紙機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1切紙機(jī)的控制原理

切紙機(jī)的控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。由于實際情況的限制，在切紙機(jī)控制系統(tǒng)中送紙輥變頻器采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制，以盡量提高送紙輥的穩(wěn)態(tài)速度精度，而切紙輥變頻器采用的是加閉環(huán)的矢量控制。

圖3中只畫出了與送紙輥和切紙輥相關(guān)部分的連接圖。其中，1#INV采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制的ACS800變頻器，采用的是開環(huán)控制，靜態(tài)速度誤差±（0.1%～0.5%）;2# INV采用的是吉泰科的變頻器，響應(yīng)速度模擬量在4 ms左右，閉環(huán)矢量控制靜態(tài)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(shù)分別為2048、1024。送紙輥編碼器脈沖直接輸入控制系統(tǒng)，經(jīng)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(jīng)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(huán);另一路則輸入到控制器硬件電路，經(jīng)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(jīng)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(jī)的速度給定，從而使得切紙輥可以穩(wěn)定地跟隨送紙輥。原點開關(guān)是為采集兩個原點間送紙輥的編碼器脈沖個數(shù)，從而得到實際的控制切長。

3.2控制系統(tǒng)硬件選型及功能

控制系統(tǒng)的主要硬件及選型如下。系統(tǒng)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(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和響應(yīng)速度要強(qiáng)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(jī)和編碼器的干擾。采用+24V開關(guān)電源為單片機(jī)供電。原點開關(guān)選擇KAKPR08系列產(chǎn)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(jī)中，切紙輥每旋轉(zhuǎn)1圈，接近開關(guān)檢測1次切刀的原點信號，使單片機(jī)不斷地修正切點，防止切點發(fā)生偏移導(dǎo)致切長誤差增大。

3.3控制系統(tǒng)硬件接線

切紙機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖4所示。

由圖4可知，切紙機(jī)控制系統(tǒng)采用+24V開關(guān)電源為單片機(jī)供電，GK800M為控制切紙輥電機(jī)M1的變頻器，ACS800為控制送紙輥電機(jī)M2的變頻器。圖4中，編碼器PG1安裝在電機(jī)軸上，等電機(jī)運動后將采集到的脈沖輸入到變頻器GK800M中作為一路閉環(huán)。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(jī)中。而編碼器PG2將采集的脈沖直接輸入到單片機(jī)，單片機(jī)將得到的兩路脈沖經(jīng)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(yīng)的是0～1500 r/min的電機(jī)轉(zhuǎn)速。原點開關(guān)通過單片機(jī)端口I將原點信號送入到單片機(jī)。

4切紙機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

切紙機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是通過單片機(jī)完成實現(xiàn)的。利用STM32單片機(jī)進(jìn)行編程，可實現(xiàn)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(tǒng)啟動后，經(jīng)過定時中斷自動讀取送紙輥和切紙輥的脈沖個數(shù)，將兩個脈沖數(shù)換算到統(tǒng)一標(biāo)度下，然后求差值進(jìn)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(shù);C2為切紙輥實時采集的編碼器脈沖數(shù);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(shù); h2為切紙輥編碼器線數(shù);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(shù)乘以該系數(shù)，就可以和切紙輥脈沖數(shù)換算成統(tǒng)一的標(biāo)度了。

切長設(shè)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(jī)程序中，單片機(jī)會重新計算切長的給定。

5控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與實驗驗證

5.1參數(shù)設(shè)置

在使用控制系統(tǒng)之前，需要對相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(jī)的啟停和電機(jī)速度的給定。所需設(shè)置的參數(shù)如表1所示。通過這些參數(shù)設(shè)置，需要得到的是實際反饋切長、進(jìn)行增量式PID運算的基準(zhǔn)值以及切刀輥電機(jī)速度的給定。

5.2誤差分析

通過設(shè)置參數(shù)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(shù)為2048，那么經(jīng)過硬件電路4倍頻以后為8192，即送紙輥轉(zhuǎn)動一圈會產(chǎn)生8192個脈沖。

這時可以計算出每一個脈沖對應(yīng)的長度為L，精確到小數(shù)點后4位，L值約0.2086 mm。設(shè)計需要得到的精度為±1 mm，即切紙輥每轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)鎖存在單片機(jī)里面脈沖誤差的個數(shù)應(yīng)保持在±4個之內(nèi)，如果誤差脈沖個數(shù)超過這個范圍，則精度不能達(dá)到設(shè)計要求。

5.3實驗驗證

為證實控制系統(tǒng)的可行性，對設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證。通過上面硬件設(shè)計和軟件分析，切紙輥電機(jī)速度的給定值是由多個參數(shù)共同決定的。包括送紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)速、設(shè)定的切長、PID運算的結(jié)果。

實驗時先啟動切刀的變頻器。切紙輥電機(jī)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(jī)一個初始速度，實驗設(shè)置為419 r/min。通過按鍵在單片機(jī)上設(shè)定切長為1092 mm，此時切刀的編碼器脈沖數(shù)為0，單片機(jī)將采集到的兩路脈沖數(shù)進(jìn)行運算后，作為切刀電機(jī)速度。經(jīng)過不斷的PID調(diào)節(jié)之后，單片機(jī)給定切紙輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速會趨近一個穩(wěn)定值，經(jīng)過單片機(jī)計算最后輸出的轉(zhuǎn)速為100 r/min。通過單片機(jī)，對送紙輥和切紙輥的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7的曲線所示，縱坐標(biāo)為放大100倍后的電機(jī)轉(zhuǎn)速，橫坐標(biāo)為采集到的1000個數(shù)據(jù)，圖中切紙輥可以比較穩(wěn)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(wěn)定性。

根據(jù)以上誤差分析，每一個脈沖對應(yīng)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(jī)應(yīng)該采集脈沖個數(shù)應(yīng)該為5324。經(jīng)過實驗，對單片機(jī)實際采集到的脈沖數(shù)進(jìn)行分析，與理論值的差值都在±4個脈沖之內(nèi)，說明切割的精度滿足目標(biāo)±1 mm。

6結(jié)語

在分析了切紙機(jī)工藝流程的基礎(chǔ)上，提出了變頻控制與伺服控制相結(jié)合的方法。對控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計。硬件主要進(jìn)行系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要器件選型，軟件主要用單片機(jī)對切紙輥給出設(shè)計思想和參考流程圖。對設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明，切紙輥可以比較穩(wěn)定地跟隨送紙輥運動，切紙的精度也在±1 mm之內(nèi)，滿足設(shè)計的要求。

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（責(zé)任編輯：常青）