基于單片機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器的閉環(huán)線速度控制系統(tǒng)

　　O 引言

　　在電纜生產(chǎn)線上，通常需要檢測(cè)電纜的走線速度，用來控制收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速和計(jì)算線纜的長度。成纜工藝參數(shù)的穩(wěn)定，直接關(guān)系到電線電纜的質(zhì)量。

　　該項(xiàng)目是為某電纜廠的技術(shù)改造項(xiàng)目，要改造的設(shè)備是利用束線原理制造的盤絞式成纜機(jī)，改造的內(nèi)容是更換全部電氣控制系統(tǒng)。這種成纜機(jī)的放線盤固定，而收線盤固定在盤絞架上同時(shí)完成絞合和收線的雙重運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，在線纜盤直流電機(jī)的帶動(dòng)下，完成電纜的收線運(yùn)動(dòng)，在排線電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)電纜在收線盤的整齊排列。在大盤電機(jī)的帶動(dòng)下，通過齒輪箱帶動(dòng)盤絞架實(shí)現(xiàn)軸向旋轉(zhuǎn)，完成電纜絞合運(yùn)動(dòng)，是保證節(jié)距的關(guān)鍵。線速度是由收線盤的旋轉(zhuǎn)速度決定的，如果收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，收線盤隨著收線軸的變粗，線速度會(huì)增大，因此，為保證收線速度恒定，要逐漸降低收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　根據(jù)電纜的生產(chǎn)工藝要求，不同型號(hào)的電纜，其走線速度是恒定的。通常，電纜的運(yùn)行速度是由電纜帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測(cè)的。電纜線速度測(cè)速示意圖如圖1所示。

　　該項(xiàng)目中，采用的旋轉(zhuǎn)編碼器的型號(hào)是TRDJ1000系列，旋轉(zhuǎn)一周輸出1 000個(gè)脈沖。因此，根據(jù)在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)，就可以計(jì)算出電纜的走線速度。實(shí)際應(yīng)用中，將其與一加工精度極高、周長為500 mm的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量主動(dòng)輪與旋轉(zhuǎn)編碼器同軸安裝，主動(dòng)輪與電纜接觸。在電纜生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，依靠摩擦力拉動(dòng)測(cè)量輪旋轉(zhuǎn)，這樣就把電纜的直線位移(長度)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)字信號(hào)輸出。

　　設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，其計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為NP(脈沖個(gè)數(shù)/轉(zhuǎn))，則旋轉(zhuǎn)編碼器角分辨率(單位：(°)/個(gè))為：

　　P=360/NP

　　假定固定在旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)軸上的主動(dòng)導(dǎo)向輪半徑為r m，則旋轉(zhuǎn)編碼器位移分辨率(單位：m/個(gè))為：

　　Ps=27πr/NP

　　這時(shí)，若計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為N(個(gè))，則由旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量的位移量S(單位：m)為：

　　S=Ps·N

　　線纜走線速度V(單位：m/s)為：

　　V=S/T

　　式中：T為接收N個(gè)脈沖所用的時(shí)間(單位：s)。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)原理

　　該檢測(cè)電路以AT89C51單片機(jī)為控制核心，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，變成O～5 V的TTL電平脈沖，送到AT89 C51單片機(jī)的外部中斷INT0端。每收到一個(gè)脈沖，單片機(jī)中斷一次，同時(shí)計(jì)數(shù)脈沖存儲(chǔ)器加1，與標(biāo)準(zhǔn)脈沖值比較后，單片機(jī)的P0口輸出給定值數(shù)字量，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換變成給定值模擬量，送給收線電機(jī)調(diào)速器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這里的D/A轉(zhuǎn)換芯片采用8位數(shù)據(jù)輸入，四路模擬量輸出的TLC7226IDW。如果需要提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度，可以選用其他10位、12位數(shù)據(jù)輸入的D/A轉(zhuǎn)換芯片。

　　工作時(shí)，當(dāng)收線電機(jī)帶動(dòng)電纜運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器的主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，從而旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，輸出脈沖。該脈沖送入光電耦合器，進(jìn)行隔離、整形、電平轉(zhuǎn)換，送給AT89C51的12腳，外部中斷INTO進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。每接收到一個(gè)脈沖，單片機(jī)執(zhí)行外部中斷INT0子程序一次，脈沖計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器加1。例如，每間隔1 s讀取一次，從而可以根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)比較，因此，可以判斷當(dāng)前線速度的大小。

　　線速度的計(jì)算方法如下：

　　例如，要求線速度V為0.1 m/s。

　　旋轉(zhuǎn)編碼器每秒輸出脈沖數(shù)=V·Np/C

　　其中：C為旋轉(zhuǎn)編碼器主動(dòng)輪周長(單位：m)。所以，線速度為O.1 m/s時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器每秒輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)=0.1×1000/0.5=200個(gè)/s。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　在定時(shí)器中斷中運(yùn)行，在計(jì)時(shí)子程序中，每秒執(zhí)行一次。即查詢每秒收到的脈沖數(shù)是否與標(biāo)準(zhǔn)脈沖相同。該線速度控制子程序如圖3所示。

　　首先，讀脈沖計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器的數(shù)值，與標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)比較，等于標(biāo)準(zhǔn)脈沖，脈沖計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)值清零，說明此時(shí)走線速度等于標(biāo)準(zhǔn)速度;若大于標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)，說明線速度大于標(biāo)準(zhǔn)線速度，因此，必須使調(diào)速器給定值減1，使得收線電機(jī)轉(zhuǎn)速減低;若小于標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)，說明線速度小于標(biāo)準(zhǔn)線速度，必須使調(diào)速器給定值加1，使得收線電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，從而形成閉環(huán)線速度控制反饋系統(tǒng)，控制收線電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，使得線速度保持恒定。

　　4 結(jié)語

　　根據(jù)電纜成纜機(jī)的工藝要求，設(shè)計(jì)了單片機(jī)與旋轉(zhuǎn)編碼器組成的閉環(huán)線速度控制系統(tǒng)，并給出了主要控制程序的設(shè)計(jì)方法。還可以通過軟件實(shí)現(xiàn)線纜走線長度的檢測(cè)以及運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算等功能，并通過顯示屏顯示出來。上述線速度控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用在實(shí)際的技術(shù)改造中，為企業(yè)節(jié)約了近百萬元的技術(shù)改造資金。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高、成本低等特點(diǎn)，完全滿足電纜生產(chǎn)工藝要求，其簡(jiǎn)潔的電路設(shè)計(jì)和典型的控制方法具有較高的參考價(jià)值。