口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)與實現(xiàn)

河源技師學(xué)院 鐘偉東

口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心控制器，單片機(jī)中植入梯形加減速算法程序，有效避免了因起步頻率過高導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)丟步等因素引發(fā)設(shè)備故障的問題，經(jīng)調(diào)試，設(shè)備運(yùn)行平滑穩(wěn)定、響應(yīng)靈敏、前后端設(shè)備協(xié)調(diào)性好，優(yōu)化了設(shè)備性能，大大提升了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

新冠肺炎疫情暴發(fā)給人民生命安全帶來嚴(yán)重威脅，抗擊疫情期間需要大量的醫(yī)療物資、防控物資等，尤其是口罩供需矛盾更為突出，隨后國家除了加強(qiáng)管控防控物資外還鼓勵企業(yè)大量生產(chǎn)口罩以緩解緊張的局勢，眾多企業(yè)為了生產(chǎn)口罩購進(jìn)了大量的相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，但由于口罩機(jī)質(zhì)量參差不齊、性能不優(yōu)，在生產(chǎn)過程中給企業(yè)帶來許多技術(shù)難題，無法及時解決，嚴(yán)重影響疫情物資生產(chǎn)。期間，我們學(xué)院派出技術(shù)團(tuán)隊協(xié)助企業(yè)解決口罩生產(chǎn)設(shè)備故障，在解決過程中發(fā)現(xiàn)一拖二設(shè)備的口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)存在運(yùn)行不穩(wěn)定、動作不協(xié)調(diào)等現(xiàn)象，為了加快生產(chǎn)口罩進(jìn)度和提高產(chǎn)品質(zhì)量，對口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，取得了較好的成效。

1 口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)存在問題

口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)通常在一拖二以上的口罩機(jī)中使用，它是打片機(jī)與超聲波焊接機(jī)的銜接設(shè)備，主要負(fù)責(zé)將打好片的口罩進(jìn)行分離、翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)機(jī)工作是否正常直接影響到上下兩級的工作效率及產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)多采用PLC與步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合以開環(huán)直接控制方式實現(xiàn)口罩分離、翻轉(zhuǎn)功能，但是實際使用中發(fā)現(xiàn)，在翻轉(zhuǎn)機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)工作不夠穩(wěn)定、動作不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致口罩偏離傳送軌道或直接跑飛等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2 口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)

口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)性能優(yōu)劣主要取決于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和速度，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和速度由輸入脈沖的頻率控制，頻率高速度快，但容易引起電機(jī)堵轉(zhuǎn)、丟步、過沖等現(xiàn)象導(dǎo)致分離、翻轉(zhuǎn)時口罩偏離傳送軌道或直接跑飛等現(xiàn)象。為了優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和速度，使其在運(yùn)行過程中能與打片機(jī)和焊接機(jī)充分協(xié)調(diào)工作，文中將通過植入梯形加減速算法控制方式解決設(shè)備存在的問題，從而優(yōu)化了口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)性能。此外，控制系統(tǒng)采用了STM32單片機(jī)控制方式進(jìn)一步降低了設(shè)備生產(chǎn)成本。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1所示，口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)硬件控制系統(tǒng)主要由四部分組成，一是STM32單片機(jī)為核心控制器，主要負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)按照規(guī)定的速度和工作狀態(tài)運(yùn)行以及與觸模屏通信；二是傳感器，主要負(fù)責(zé)檢測口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)前端有無口罩及步進(jìn)電機(jī)的原點(diǎn)檢測；三是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制器，主要由四線制57H2P7842A4步進(jìn)電機(jī)和DM542驅(qū)動器組成；四是串口觸模屏，主要用于用戶設(shè)置步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行步數(shù)step、加速度acc、減速度dec、最大運(yùn)行速度ωmax等參數(shù)和設(shè)備啟動、停止按鈕。

圖1 口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)電路方框圖

2.2 梯形加減速算法的應(yīng)用

梯形加減速算法具有控制簡單、容易實現(xiàn)等優(yōu)勢，尤其在步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)中植入梯形加減速算法是解決步進(jìn)電機(jī)丟步、過沖等問題的較優(yōu)方式，算法在口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)中應(yīng)用可有效避免因頻率過高導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)丟步等因素引發(fā)設(shè)備故障的問題。

（1）梯形加減速算法數(shù)學(xué)模型

梯形加減速曲線如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)因受用戶所設(shè)定的運(yùn)行步數(shù)step、加速度acc、減速度dec、最大運(yùn)行速度ωmax因素的限制，步進(jìn)電機(jī)將會按AFGHIE或AFTIE軌跡運(yùn)行，當(dāng)用戶所設(shè)定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度ωmax＜ωT時，這時步進(jìn)電機(jī)按AFGHIE軌跡運(yùn)行，曲線分為四個狀態(tài)：一是加速運(yùn)動；二是勻速運(yùn)動；三是減速運(yùn)動；四是停止運(yùn)動。

圖2 梯形加減速曲線

根據(jù)曲線算出加速的步數(shù)為：

減速步數(shù)為：

當(dāng)用戶所設(shè)定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度ωmax≥ωT時，步進(jìn)電機(jī)按AFTIE軌跡運(yùn)行，這時只有加速和減速兩個階段，加速步數(shù)為：

減速步數(shù)為總運(yùn)行步數(shù)與加速步數(shù)之差即step-AC，無勻速時段。

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度快慢取決于其工作頻率的高低，根據(jù)加速度公式算出在t時間內(nèi)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為：

其中α為步進(jìn)電機(jī)步距角、n為輸入脈沖數(shù)、為加減速度，根據(jù)等量關(guān)系求出時間：

相鄰脈沖時間差為：

改變δt值的大小即可調(diào)整步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度的快慢，δt的值越大速度越慢，否則越快。

（2）梯形加減速算法在單片機(jī)中實現(xiàn)

在單片機(jī)程序中實現(xiàn)梯形加減速算法分為二部分，一是根據(jù)運(yùn)行步數(shù)step、加速度acc、減速度dec、最大運(yùn)行速度ωmax、步距角α等參數(shù)計算加減速步數(shù)從而實現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)按曲線軌跡運(yùn)行。二是采用定時器T1產(chǎn)生PWM信號，通過PA8引腳實現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)按梯形算法穩(wěn)定運(yùn)行。

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行軌跡控制。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行軌跡的控制流程圖如圖3所示，單片機(jī)根據(jù)參數(shù)計算步數(shù)AB和AC，如果AB＜AC，將控制步進(jìn)電機(jī)按照模型的AFGHIE軌跡運(yùn)行，減速步數(shù)為：

圖3 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行軌跡流程圖

若AB≥AC說明步進(jìn)電機(jī)達(dá)到用戶設(shè)定的運(yùn)行速度時的步數(shù)超過要開始減速的步數(shù)，此時減速的步數(shù)應(yīng)為step與AC之差即：

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率控制。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率控制信號由單片機(jī)定時器T1產(chǎn)生，通過PA8引腳控制步進(jìn)電機(jī)，引腳輸出頻率由定時器的計數(shù)周期及計數(shù)值共同決定，當(dāng)單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘和分頻系數(shù)固定時，這時由定時器計數(shù)值決定輸出頻率大小，計數(shù)值越大頻率越低，計數(shù)值越小頻率越高。根據(jù)梯形算法曲線（b）設(shè)相鄰脈沖時間差δt=Cnt，式中t為定時器計數(shù)周期通常為固定值，而Cn為定時器的計數(shù)值，是變量值，根據(jù)公式：

則有：

可化簡為：

為了提高單片機(jī)的運(yùn)算速度，依泰勒公式和麥克勞林公式，對cn進(jìn)一步化簡為：

單片機(jī)程序中依序算出定時器的計數(shù)值即可輸出對應(yīng)頻率的控制信號，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗，當(dāng)n=1時與實際值存在一定的誤差，但可通過c0乘以0.676進(jìn)行修正。

3 人機(jī)對話與傳感器模塊

人機(jī)對話模塊采用TTL電平接口電路的串口觸模屏，在觸屏中可輸入步數(shù)step、加速度acc、減速度dec、最大運(yùn)行速度ωmax等相關(guān)控制參數(shù)和口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)啟動、停止控制按鈕。傳感器模塊包括口罩有無檢測和電機(jī)原點(diǎn)檢測，當(dāng)設(shè)備通電時控制系統(tǒng)自動檢測步進(jìn)電機(jī)是否處于原點(diǎn)，如不在原點(diǎn)則自動復(fù)位。

4 控制系統(tǒng)調(diào)試與分析

根據(jù)口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)的實際，把步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)為32，設(shè)置驅(qū)動電流大小為2.8A，在串口觸模屏主控界面中輸入不同的step、acc、dec、ωmax值，然后點(diǎn)擊啟動控制按鈕啟動設(shè)備，經(jīng)調(diào)試，口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)的運(yùn)行速度快且平穩(wěn)，與前后端設(shè)備能協(xié)調(diào)工作，設(shè)備性能優(yōu)于改進(jìn)前的性能。

結(jié)束語：口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)以STM32單片機(jī)為控制核心進(jìn)一步降低了設(shè)備生產(chǎn)成本，植入梯形加減速算法優(yōu)化了口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)性能，測試結(jié)果表明口罩翻轉(zhuǎn)機(jī)運(yùn)行平滑穩(wěn)定、響應(yīng)靈敏，大大降低了故障率，提升了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。