三伺服包装机传动部件的控制方案研究

宋慧　刘娜　孟凡芳　张卫星

【摘 要】三伺服包装机是目前食品、物料包装行业中最重要的装备之一，其控制效果和可靠性对于包装工序的高效率完成有着关键的影响。针对三伺服包装机传动系统的控制要求，采用基于DSP56800的对象控制条件，确立下位机具体控制方案，包括抗干扰设计、主循环流程设计、工作状态控制以及停车控制等，实现包装机了各个工作环节的精准控制。

【关键词】三伺服包装机；控制系统；DSP；抗干扰

0 引言

随着机械生产及电子技术的发展和应用，国内外包装机行业的发展突飞猛进，智能控制水平的提升使得包装机迎来了非常好的发展机遇[1]。目前，性能优良的三伺服包装机在各个行业和领域都有着广泛的应用，其集合了新传动技术和新控制手段，不但能够保证包装机的高效工作，而且实现了加工装备性价比的大幅度提升。国内三伺服包装机的飞速发展主要起源和得益于国外技术的引进，明显地缩小了国内外包装行业自动化控制方面的差距，但是由于国外仍掌握核心技术，而新技术引进的成本非常高，使得国内的一些中小型企业的控制技术长期处于较低水平[2]。为此，打破该问题现状是国内市场经济发展必须面临的问题，否则，将导致国内核心技术失去市场主导地位和主控能力。

国内在经济全球化的长期影响下，计算机、通讯、自动化等方面的控制技术在各个行业和领域相互融合，可有效地带动国内包装机控制技术的发展。文中针对三伺服包装机传动部件的复杂控制内容，采用DSP56800对各个环节进行控制设计，最终实现包装机高效、可靠的工作能力，促进包装行业的发展和进步。

1 整体控制方案的确立

1.1 DSP控制方案类比和选择

根据DSP控制[3]在各个领域内的应用特点以及受控内容，可将控制方案分为以下几种：

（1）基于数据流及结构的控制

该种控制方案具备良好的实时性，对于多重任務的处理有着较高的运算效率，而且后期的程序维护简洁明了，但是复杂工作的控制对象难以采用标准化和规范化的程序实现。

（2）基于有限状态机的控制

该种控制方案易于实现开发人员的建模意图，在高结构层次的控制条件下，有着较高的开发效率。在有限状态机的开发条件下，程序的设计对于新技术人员的要求相对较低，控制程序方案编写简单，但是在特定的条件下存在较大的实现难度，比如多重并发控制条件等。

（3）基于对象的控制

该种控制方案趋于形象化，能够在软件中直接对受控目标进行建模，并能够针对行业标准实现程序的规范性、可靠性和实用性。面对对象的控制方案有着良好的应用前景，但是在实时性系统的实现方面需要二次开发或拓展[4]。

三伺服包装机传动系统对于控制系统的要求较高，对于控制方案选择的要求较为严格。三伺服包装机在工作时，其控制系统的主要流程为：用户设定包装工作要求以及工况条件，该过程通过上位机控制端实现；包装机传动部件工作，比如横封轴、塑料复合膜轴和物料槽轴的三 轴协同运动，即三伺服电机的实时性控制，使得各个包装环节具备良好的同步性，由下位机实现，也是整个控制系统的核心部分，过程具有严格的规范性。针对三伺服包装机传动系统的控制要求可知，文中采用基于的对象控制方案。

1.2 控制步骤的设计

三伺服包装机的传动系统在工作时具有特定的规范性，在进行控制步骤设计时，需要遵循功能要求以及控制方案性质。文中总结系统主要的控制步骤有：

（1）控制方案的确定

针对三伺服传动系统的工作原理，研究整个控制系统所需要的功能以及具体控制任务，明确上位机和下位机的主要功能，并通过基于对象的控制方法，采用UML实现控制模型的建立和描述。控制方案确立时需要综合考虑三伺服电机的运动特性，从而可以给定下位机的总体控制方案，并根据具体的动作，实现分割控制。

（2）功能控制内容的确定

根据包装机的基本功能要求，确定控制内容包括：主界面与分功能界面的显示、功能选项和功能参数定义。其中，主界面和分功能界面的显示包括操作界面（点动区、温控区、模式区、对刀区等）和包装信息（包装袋长、包装速度、拨叉长度、膜追踪设定、槽追踪设定、产量及时间显示等）。包装机功能选项设置包括包装速度设置、包装袋长设置、拨叉长度设置、开车、停车、产量清零等。

（3）程序控制可行性的确定

程序控制内容在设计时，需要综合考虑编写的难易程度以及可实现性，保证其在长时间工作条件下的可行性与有效性[5]。在系统中，串口通讯程序采用的是VB编程，使用MSComm串口控件实现通讯过程。MSComm在系统中有两种工作方式：事件驱动与查询。其中，事件驱动方式主要用于程序的设计过程，在事件处理函数中根据用户的要求添加自己的相关代码，程序可自动响应，可靠性非常高；查询方式主要是通过校验各种属性值的方法检验程序的正确性，在简单程序中应用非常广泛。

1.3 控制系统功能设计

针对三伺服包装机传动系统控制的要求以及功能特点，文中建立控制系统的主体模型如图1所示。图中可以看出：控制系统的关键组成部分为上位机控制端与下位机处理器协同工作。工作人员针对被包装件的结构特点在上位机设定相关的工艺尺寸，比如初始工艺参数、后期参数修改、工作状态显示、故障信息预警、包装质量检测数据等。控制系统工作时，首先要检验各个传感器的存在，即初始化，初始化完成后，发送跳过ROM指令，然后发送读取暂存器指令，并向DSP56800发送复位脉冲，DSP接收信号以后开始记录参数值，最后通过CRC校验得出最终准确的测量数据。系统在通讯端口设置通信口和波特率、停止位长度等参数信息，控制串口的关、闭属性。

2 下位机控制方案设计

2.1 抗干扰控制设计

一般地，以软件方式来进行抗干扰控制可获得很显著的效果。为了能确保DSP56800处理后得到的参数的准确性，本文针对整个系统传感器监测到的信号，在数据采集阶段过程当中采用软件数字滤波方式来进行整个系统的抗干扰设计。endprint

通常采用算数平均滤波来消除系统的随机误差，其缺点是随着采样频率的增加会导致系统的灵敏度下降。因此，需要全面考虑这两方面的影响因素，所以对采样系数要适当的选取，才能保证更好的滤波效果。虽然应用算数平均滤波方法对于随机整个信号的干扰的抑制作用比较明显，但是其对脉冲干扰的处理能力则表现的比较弱，甚至使得整个脉冲信号更加远离实际值，因此，针对不同的工况条件，需要来提升整个软件数字滤波效果，采用较好的滤波方法，脉冲干扰就能很好的被抑制。

2.2 主循环控制流程

系统主程序应该进行初始化设置[6]，初始化设置主要是完成对系统初始化代码阅读，换言之，初始化系统上设置各种各样的数据，因此也叫做读入初始值。系统中需要初始化的对象主要有DSP、A/D 转换芯片、时钟芯片、LCD 液晶模块、RS232 串行通信电路等。

系统初始化后，然后进行信号采集，这种信号的采集主要是利用采集电路进行的，再由滤波电路送至 A/D 转换电路，将采集到的模拟信号转换成DSP可以识别的数字信号。DSP处理被测信号后，通过串行通信送至LCD和按键电路，进行数据查询和分析。系统初始化后，软件程序必须有数据采集、数据处理、数据通信部分，这样整个系统才能够稳定运行。系统主程序流程图如下图2所示，包括事件采集、事件分析和事件处理阶段。

2.3 工作状态分析

包装机在执行具体伺服控制子程序之前，要对每个传感器进行校准，通过预期的响应信号，来确定指令发送，当检查正常时，执行控制命令，即工作状态分析。当下位机系统接收到数据后，其内部会进行数据处、保护和存储[7]。

对于便于控制和表达，文中针对三伺服包装机的工作条件，将整个工作状态分为以下几部分：初始化过程、待机状态，辅助状态，工作状态，空槽检测状态和停车处理状态等，其控制模型如图 3所示，这些工作状态均由下位机实时控制。

2.4 停车控制

对于三伺服包装机，停车控制可采用空槽检测停车方法，该方法属于此类包装机的一个定向特征。在该种控制条件下，包装机能够根据传感器自动检测物料是否存在，若不存在物料，将自动停车，有效地实现节能控制。

停车控制模型如图4所示，可以看出：在正常工作条件下，若接收空槽检测停车信号，将由DSP控制伺服电机，使其先后停止膜轴和横封轴的转动，再次以后，系统将转入基于物料轴位置的功能处理过程，即待机状态。若重新检测有物料运行，则再次由DSP控制伺服电机，启动膜軸和横封轴，使其恢复到正常运行状态。

3 结语

在本文所研究的三伺服包装机传动部件控制方案中，包装机在各种工况下的启动、包装工作、停车等过程均表现出良好的稳定性和可控性，符合三伺服电机的工作要求，满足工程设计指标，并且具备良好的经济效益和社会效益。在DSP56800控制条件下，包装机的三部分传动部件轴（横封轴、塑料复合膜轴和物料槽轴）能够协同运动，实现了良好的同步性，综上所述，文中控制方案具备很好的实用性和可行性。

【参考文献】

[1]乔峰丽，苗鸿宾.包装机横封机构仿真研究[J].包装工程，2008，29（1）：75-77.

[2]田野，孙智慧，郑赛男，等.包装机中推料机构分析及优化[J].包装工程，2013（21）：66-70.

[3]陈兴国，钟定铭，陈玮.DSP全模糊控制包装机的凸轮定位差动器的交流伺服系统[J].包装工程，2004，25（5）：175-178.

[4]康瑞芳，刘鑫.基于DSP全自动食品包装机控制系统设计[J].控制工程，2017，24（2）：336-340.

[5]闫茹，安改娣，焦建.基于DSP的定量包装控制系统设计[J].包装工程，2017（5）：167-170.

[6]于镭，常军，黄存柱.基于DSP的自动包装机控制系统的软件设计[J].微型机与应用，2010，29（1）：3-5.

[7]朱伟兴，孙荣，张建.基于数字信号处理器的伺服电机同步控制系统[J].现代科学仪器，2013（1）：61-64.

[责任编辑：朱丽娜]endprint