基于霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)膠印機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者：邱召運(yùn)，李述香，劉發(fā)明，劉其濤，姜廣東

實(shí)現(xiàn)膠印機(jī)印刷工藝過(guò)程的程序控制系統(tǒng)（PLC）需用多個(gè)傳感器對(duì)紙張位置、旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，傳感器數(shù)量的增多給安裝、調(diào)試和使用造成諸多不便，使設(shè)備的可靠性降低，電氣控制系統(tǒng)的成本增加。分析膠印機(jī)的功能和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，膠印機(jī)的合壓、打碼、撥碼、噴粉和雙回轉(zhuǎn)功能屬順序控制，可通過(guò)檢測(cè)收紙輥的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)程序控制。考慮到膠印機(jī)存在油、墨、水和落塵污染，又屬連續(xù)運(yùn)行的苛刻應(yīng)用環(huán)境，磁敏型傳感器較為適合，但對(duì)控制工位相對(duì)少的膠印機(jī)來(lái)說(shuō)，選用磁旋轉(zhuǎn)編碼器又顯得價(jià)格昂貴。因此，基于開關(guān)型霍爾電路設(shè)計(jì)了霍爾式膠印機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器），使傳感器的安裝、調(diào)試、布線簡(jiǎn)化，節(jié)省了PLC的輸入接口資源，在膠印機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用取得了成功。

1 霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器原理框圖

霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器主要由旋轉(zhuǎn)磁鐵組合、取樣電路和信號(hào)處理電路等部分組成，如圖1所示。其中，旋轉(zhuǎn)磁鐵組合安裝在膠印機(jī)收紙輥上，霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器電路部分固定在機(jī)體上，敏感面對(duì)準(zhǔn)磁極，兩者間距小于5 mm，對(duì)收紙輥的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行取樣。因磁極的位置是確定的，所以取樣信號(hào)是絕對(duì)位置量。如果取樣電路具有識(shí)別印刷工藝起點(diǎn)和位置順序控制點(diǎn)的能力，那么印刷的過(guò)程就能通過(guò)一個(gè)傳感器的多點(diǎn)取樣，實(shí)現(xiàn)程序控制。取樣的基礎(chǔ)是基于霍爾電路A3144，顯然單一霍爾芯片不能實(shí)現(xiàn)包括起始點(diǎn)和順序點(diǎn)的取樣，需要對(duì)取樣電路進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以滿上述要求。取樣電路獲取的位置信號(hào)送信號(hào)處理電路，經(jīng)軟件系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷處理，確認(rèn)后輸出編碼信息。

2 取樣電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 雙霍爾取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

根據(jù)開關(guān)型霍爾電路原理，霍爾芯片只對(duì)一個(gè)方向的磁場(chǎng)有效，這就是說(shuō)霍爾芯片的一個(gè)感應(yīng)面為磁體的s極敏感，那么另一面一定是N極敏感，假設(shè)這兩面分別叫S面和N面。將兩個(gè)開關(guān)型霍爾芯片A和B的相同敏感面（例如N面）相對(duì)，A在前，B在后疊放，組成一雙霍爾取樣電路AB。芯片A的輸出定義為Va，芯片B的輸出定義為Vb，顯然對(duì)來(lái)自同一方向的磁體，芯片A對(duì)S極敏感，芯片B對(duì)N極敏感，即S極觸發(fā)雙霍爾AB，則Va輸出，N極觸發(fā)AB，則Vb輸出，參見圖2。這種設(shè)計(jì)使取樣芯片組對(duì)兩個(gè)磁場(chǎng)方向都敏感，因芯片獨(dú)立輸出，具有識(shí)別磁極的能力。由于磁體組的S極、N極有位置間隔，所以Va，Vb信號(hào)在時(shí)間上不重疊。當(dāng)S，N1，N2， N3，N4旋轉(zhuǎn)一周順序觸發(fā)AB時(shí)，芯片A將輸出一個(gè)脈沖，稱之為“起始點(diǎn)”或零信號(hào)；芯片B將輸出四個(gè)脈沖，稱之為“順序點(diǎn)”信號(hào)?；谶@種思想設(shè)計(jì)取樣電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)磁體組各磁極的識(shí)別功能，尤其關(guān)鍵的是能確定印刷過(guò)程的起始點(diǎn)。

2．2 膠印機(jī)磁體組合設(shè)計(jì) ．

用于膠印機(jī)的磁體組合由5塊稀土磁鋼構(gòu)成，其中一個(gè)磁體的S 極朝外且對(duì)應(yīng)印刷“合壓”位置，另外四個(gè)磁體的N極朝外，分別對(duì)應(yīng)“打碼”、“撥碼”、“噴粉”和“雙回轉(zhuǎn)”工藝過(guò)程位置。因設(shè)備間存在差異，“打碼”、 “撥碼”位置可同步調(diào)整。磁鐵組合安裝在膠印的收紙輥上，每完成一次印刷過(guò)程，收紙輥旋轉(zhuǎn)一周，通過(guò)檢測(cè)磁體位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠印機(jī)印刷過(guò)程的程序控制。

3 霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器電路設(shè)計(jì)

編碼器電路的核心采用了Microchip Technology Inc，生產(chǎn)的PIC12C508A微控器。它基于COMS設(shè)計(jì)，采用RISC結(jié)構(gòu)，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器EPROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，集成了上電復(fù)位電路 （POR）、時(shí)鐘振蕩器（INTRC）、看門狗定時(shí)器（WDT）等功能單元，具有小型化封裝（8-Lead SIOC）、低功耗（2）取樣輪每旋轉(zhuǎn)一周，軟件系統(tǒng)完成一個(gè)編碼序列轉(zhuǎn)換。編碼脈沖低電平寬度由軟件決定，與旋轉(zhuǎn)速度無(wú)關(guān)，而高電平寬度則由磁體N極間隔決定。因此一個(gè)完整的編碼序列包含了起始點(diǎn)、順序位置間隔和旋轉(zhuǎn)周期三個(gè)方面的信息。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PIC12C508A微控器，采用精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)，除跳轉(zhuǎn)指令外絕大多數(shù)指令周期為。

4．2 軟件系統(tǒng)程序清單

軟件設(shè)計(jì)包括初始化程序、主程序和延時(shí)子程序，參考程序清單如下。

（1）寄存器定義與初始化程序

5 結(jié) 語(yǔ)

霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器具有開關(guān)型霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)，它基于簡(jiǎn)單實(shí)用的原則設(shè)計(jì)，直接獲取位置信號(hào)，原理上與結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密的磁旋轉(zhuǎn)編碼器不同。該系統(tǒng)在膠印機(jī)上的應(yīng)用取得了較好效果，性能穩(wěn)定可靠，具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。對(duì)位置測(cè)量，取樣點(diǎn)越多，其優(yōu)越性越明顯。盡管是針對(duì)膠印機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，但其應(yīng)用卻具有普遍意義。磁體組合可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)，為它用提供了方便。

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