精详香卷烟包装机撕带供给控制系统的设计与实现项目可行性研究报告Word格式文档下载.docx
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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：
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
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，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（PermanentMagnetDCServoMotor）。
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，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τ，当τ从0到T之间变化时，则一个周期内电枢回路的平均电压值UA为:
UA=
dt=
U=μU
式中μ=τ/T为导通率。
当T不变时，只要连续地改变τ（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PWM周期的0~t时,T1导通，T2截至。
电流Ia经T1、T4,从A到B流过电枢绕组，在t~T,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0~t,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t~T,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流过绕组，电动机处在耗能制动状态。
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输出为零，电机转速n=0。
b）当Ugn>
0,电机开始启动，转速偏差△UN=Ugn-Ufn>
0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△UN<
0时，ASR立即退出饱和进行速度控制。
此时ASR的输出Ugi立即从限幅值降下来，最终使电机电枢电流Id也从最大值降下来，在ASR与ACR的共同调节下，电机的转速达到给定的转速值而稳定运行。
稳态时，ASR和ACR的输入偏差电压均为零，即△UN=Ugn–Ufn=0,但由于积分的作用，两个调节器都有恒定的输出电压Ugi和Uk，直到调节器的输入值发生变化时，系统从新调节直到新的稳定状态。
转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）均采用比例积分（PI）调节方式。
适当增大比例系数P可加快系统的响应;
适当增大积分系数I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加。
该调节方式技术成熟，易于采用计算机系统来实现，而且控制灵活，参数易于调整，控制效果较好。
由于均采用了比例积分（PI）调节方式的转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），所以就静态特性而言，图3一5的双闭环系统是一个无静差调速系统。
在转速调节器饱和时，转速环失去作用，仅剩下电流环起作用，系统相当于恒流调节（I=Idm）系统，静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。
这种电流调节作用可有效抑制电机在启动时电流过大的问题。
当转速调节器不饱和时，转速环开始发挥调节作用，使控制对象达到稳定运行状态。
由于转速调节器在外环，因此处于主导地位，电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用。
就动态特性而言，在给定信号大范围增加的启动过程中，转速调节器饱和，系统相当于恒值电流调节系统，可基本实现理想启动过程。
如果扰动作用在电流环以内，如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节:
如果扰动作用在电流环之外，如负载波动，则靠转速环进行调节，此时电流环相当于电流的随动系统，它的作用是力图使电枢电流Id尽快跟随转速调节器的输出Ugi,电流反馈加快了跟随作用[3]。
4驱动单元的设计
图5为PWM驱动单元组成框图。
图5PWM驱动单元组成框图
工作原理：
电压-脉宽转换器由三角波发生器和比较器组成，三角波发生器产生频率恒定的三角波Ut，Ut与输入的电压控制信号Ui相比较，当Ui>
Ut时，比较器输出满幅的正电平；
当Ui<
Ut时，比较器输出满幅的负电平。
比较器输出的正/负电平Us送给开关功率放大器进行放大，变成可驱动直流伺服电机的开关电平Up。
实际设计参数为：
三角波频率为f=10KHz,三角波振幅Ut为-2V~+2V，控制电压输入：
Ui为-2V~+2V。
4.1电压—脉宽转换器
图5中虚线部分为电压—脉宽转换器电路框图。
图6为电压—脉宽转换器电路图。
A1与其外围电路构成迟滞比较器，及冲放电时间常数相等的积分器A2，及电容C1一起构成三角波发生器。
控制电压Ui与三角波发生器输出电压输入到比较器A3，比较器输出满幅的正/负电压Us送入功率放大器进行放大，成为可驱动直流饲服电机的开关电平Up。
图中R1用于调节迟滞比较器的滞回电压范围，本设计的滞回电压范围应在-2V~2V间。
在图4-2中，通过迟滞比较器输出方波，方波幅值由稳压管Vz决定，被限制在稳压值-Vz~+Vz间，由理想运放的特性，三角波的幅值V2=-R1Vz/R2。
并且可推出三角波的振荡周期为：
T=
按图中参数设计，可调节R1、R6，使三角波的振荡周期调至T=0.1ms，既振荡频率f=10kHz。
即使R1=3k
R6=1k
。
滞回电压范围决定了三角波的振幅为2V。
图7为电压—脉宽转换器的脉宽调制波形图[4]。
图6电压—脉宽转换器电路图
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<
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期间，T2饱和导通，电枢电流i由B流向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+t1时，T2截止，在反电动势E的作用下，D1导通，同时D1的管压降给T1施加反压，使T1不能导通。
电枢电流i沿B流向A到D1流到U+，形成回馈制动。
在制动阶段，T2与D1交替导通，电机电枢电压UAB小于其反电动势E，电枢电流i小于零。
在反向电流的制动作用下，电机转速迅速下降，直到达到新的稳定。
伺服电机M的平均电压为UAB=t1U/T=ρU，其中ρ为PWM占空比系数，
ρ=t1/T,0
ρ
1.改变ρ的大小，即可改变UAB的大小，从而实现转速的调节。
驱动电路的输入信号即为图4-2的电压一脉宽转换器的脉宽调制波。
从波形图可知:
当Ui=0时，比较器输出正负幅度相同、宽度相同的矩形波Us，占空比ρ=0.5，伺服电机在二分之一满速的转速下运行。
当Ui>
0时，比较器输出正脉冲宽、负脉冲窄的矩形波Us，占空比ρ增加，伺服电机的转速上升。
当Ui<
0时，比较器输出正脉冲窄、负脉冲宽的矩形波Us，占空比ρ减小，伺服电机的转速下降。
由图4-4可见，电压和电流都是脉动的，因此电机的转速也是脉动的。
但实际设计中由于PWM开关频率较高，因此脉动分量对转速的影响极其微小。
5控制单元的设计
按照本设计描述的双闭环反馈调速控制方式并根据实际要求，控制单元设计成由微机控制的数控直流调速系统。
它具有控制灵活、结构紧凑、可靠性高的特点，图9为控制单元组成框图。
模拟量被采集并经A/D转换后变为数字量，由计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果经D/A转换后输出到驱动单元进而带动执行机构（伺服电机），达到调节和控制的目的。
在这里计算机的一个重要功能就是执行按特定算法编写的程序，相当于数字调节器。
由于80C51具有低功耗、小体积、大容量、低价格等优点。
所以在本设计中采用80C51作为核心芯片。
图9控制单元组成框图
5.1线性光电隔离电路
线性光电隔离电路即通过电、光、电这种信号转换。
利用光信号不受电磁场的干扰而完成隔离功能。
在电控设备中，许多被控对象如电动机、电磁阀等在运行和动作过程中容易产生一定的电磁干扰信号，如不加隔离可能回串入单片机控制系统中造成系统误动作。
因此在很多的电控场合都使用光电隔离器件将主电路和控制电路隔离开来，实现电气上的相互绝缘。
在本设计中采用TLP521-2型光耦合器实现模拟量的隔离传输。
图10为线性隔离电路图[5]。
电路中，电阻R2=R3。
设当有某一信号Ui输入时，流过电阻R1,R2和R3的电流分别为I1,I2和I3。
TLP521-2为双光耦合集成器件，可认为器件内的两个光耦各项参数完全一致。
光耦合器内两个发射二极管串联，流过的电流相同，所以照射到接受管的光通量相同，两个接受管的导通程度相同，设光耦的电流传输比系数为K，则有I2=I3=KI1，又因为R2=R3，所以输出电压
U0=I3R3=I2R2
图10线性光电隔离电路图
在检测电路调节过程中，Ui有两种变化趋势，当输入电压Ui升高时，有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11LF398采样保持器功能图
图15PI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T0
T1。
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。
图16电流环数据采集中断服务程序流程图
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。
图18速度环控制计算子程序流程图
图19电流环控制计算子程序流程图
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
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