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摘要：针对划膜仪对诊断试纸划线不均匀的问题，考虑卷轴半径变化对线速度的影响，研究设计一套在卷曲过程中恒线速度精确控制的系统。采用光电编码器检测小转轴的转速，与设定的转速值进行比较，产生的偏差经过单片机的处理，调节输出脉冲的频率，从而改变伺服电机的转速，保汪线速度的恒定。实验结果表明：控制系统能够对试纸卷曲的线速度精确控制，性能稳定可靠，实现匀速划线的效果，在现代化快速检测中有较高的应用价值。
关键词：恒线速度控制；划膜仪；MPC82G516单片机；ACS606伺服电机驱动器
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）03-0069-04
0 引言
随着快速诊断试纸技术的快速发展，划膜仪作为生产快速检测试纸的专业设备，已广泛应用于生物医学领域。在生产线上，快速检测试纸条的匀速划线和卷取是一道非常重要的工序，匀速卷曲对试纸条划线至关重要。在开卷一卷取系统中，卷取直径会随着卷取过程变大，若采用恒转速电机控制，其线速度也会逐渐变大。而用户对试纸产品的卷曲质量要求越来越高，卷取机恒线速度的实现直接影响试纸划线的质量。国产卷曲机与造纸机一样，长期停留在窄幅、慢速、手控的水平上。卷纸在从副臂转到主臂的过程，以及引纸和换卷，大部分靠手动完成，劳动强度大，安全性较差，而且卷曲的纸外紧内松，易形成弯曲的形状，造成卷曲试纸质量下降或报废。传统的卷曲机恒线速度控制装置为模拟系统，控制精度低，而且由于调试不便，实际难以达到恒线速度。而国外卷曲机价格昂贵，并且在试纸条在升降速的过程中，更需要保持线速度的恒定，容易出现划线不均匀等现象。因此，需设计恒线速度控制系统，满足试纸生产的要求。本文针对传统卷曲机的不足，设计了用单片机、伺服电机为核心的伺服控制系统，与前者相比，系统集成度高、硬件电路简单、可靠性和适应性强，实现了试纸恒线速度卷曲，并且价格适中，在试纸卷曲过程中有较高的应用价值。
1 系统总体设计
1.1 设计方法和实施方案
划膜仪的恒线速度控制系统采用位置精度准确的直流伺服电机，带动收卷装置，在卷曲过程中，卷曲半径不断增大，伺服电机的转速必须逐渐减小，使线速度保持匀速。光电编码器时刻检测小转轴的转速并反馈到单片机中，单片机进行PID控制，调节输出脉冲的频率，控制伺服电机的转速，形成闭合回路。
检测试纸在卷曲平台上由注射泵进行划线，仪器通过液晶显示屏进行操作，伺服电机的转速以及检测试纸的线速度可由键盘输入设定。线速度的大小可以由液晶显示屏显示。
1.2 系统控制原理
控制系统主要包括硬件和软件两部分。划膜仪卷曲操作平台如图1所示。
诊断试纸由右侧B放卷，左侧A收卷，A转轴连接雷赛伺服电机，小转轴连接光电编码器，划膜仪在操作平台上对试纸进行划线，卷取过程为恒线速度控制过程。伺服电机驱动器用于驱动伺服电机，其通过单片机产生脉冲的频率来控制伺服电机的转速，从而带动收卷装置的卷曲。较小的转轴通过光电码盘向单片机反馈小转轴的转速，单片机控制输出脉冲的频率，调节伺服电机的转速，实现恒线速度的控制。按键的设计用来实现划膜速度的控制以及系统的开启和停止；而液晶显示电路实现系统菜单和参数的显示。
划膜仪控制系统闭环方框图如图2所示，R为收卷装置的半径，r为小转轴的半径，n1为伺服电机的转速，n2为小转轴的转速；随着卷曲半径R逐渐增大，若伺服电机的转速保持不变，则收卷装置的线速度也随之增大，要保持线速度恒定，必须保持收卷装置的线速度和小转轴的线速度大小相同，即：，由于r不变，所以小转轴的转速n2可以实时检测出来，将n2作为设定量，控制其保持不变，从而线速度恒定。
图中Vxp为设定线速度，nxp为设定转速，V为瞬时线速度；由于v=2πrn2，所以nxp=vxp/2πr。系统的前向通道通过PID控制调节伺服电机的输入，伺服电机的输出为nl，则收卷装置的线速度v=2πRn1；通过光电码盘每隔一定时间测量小转轴转速n2，与系统设定的卷取转速nxp比较，得到转速偏差；通过PID调节控制产生脉冲频率，按新的频率f发给伺服电机控制信号，纠正一次转度偏差，形成闭合回路，再通过PID控制n2紧跟随nxp，从而使得线速度恒定。
2 系统硬件设计
本文设计的卷曲控制系统由划膜卷曲机操作平台、单片机、光电码盘、伺服电机及其驱动模块、液晶显示、键盘6部分组成。系统硬件组成如图3所示。
根据功能需求，系统的硬件分为以下4个模块：单片机控制模块、伺服电机及驱动模块、信号采集和处理模块、键盘输入和液晶显示模块。
2.1 单片机控制模块
在系统中，控制器采用笙泉开发板M-508U，其单片机的型号为MPC82G516，除了8051MCU的标准功能外，许多系统级功能已经集到MPC82G516A内部，功能有1024字节的扩展随机存储，一个额外的1/0口，PCA，SPI，10位模傲转换器，第二UART接口，辅助键盘中断，一个看门狗定时器等。本系统采用的伺服电机分辨率是4000线，即电机每转动一圈需要4000个脉冲，则伺服电机转速的计算公式为
n=（60f/4000）r/min
（l）
所以欲设计伺服电机的转速为10r/min，所需单片机产生脉冲的频率应该是：
f=4000n/60=666Hz
（2）
即单片机每秒钟产生666个脉冲，伺服电机的转速为10r/min。单片机脉冲信号的产生是由可编程计数阵列（PCA）实现的。本系统PCA中的定时器O溢出作为时基信号输入源，工作方式采用捕捉/比较模块的8位PWM模式，由于需要输出方波，将PWM的占空比设为50%，输出脉冲的频率由定时器O的溢出频率来决定。单片机通过输出不同频率的脉冲控制伺服电机的转速。 2.2 伺服电机及驱动模块
为了满足对控制系统恒线速度的控制，系统采用直流伺服驱动电机，相当于整个恒线速度控制系统的执行部分；能实现位置、速度和力矩的闭环控制，且抗过载能力强，电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内，能精确快速地实现系统控制的要求。本系统采用雷赛BLM57090-1OOO直流无刷伺服电机，配套ACS606全数字交流伺服驱动器，可以达到交流伺服级的性能，该伺服电机本身具有编码器，所以伺服电机的转速可以通过编码器实时检测到单片机中。ACS606与单片机的控制信号接线图如图4所示。
单片机输出脉冲信号，经过ACS606伺服电机驱动器，将输出信号放大到可以驱动伺服电机信号，从而驱动伺服电机转动。
2.3 信号采集和处理模块
以单片机为核心控制器的信息处理和过程控制，小转轴的转速检测是重要组成部分，为了达到控制精度，选择精度高的光电码盘进行小转轴转速信号的检测和采集，并将采集到的信号转化为相应的电信号，送到单片机进行处理，进而控制伺服电机其硬件原理图如图5所示。
本系统采用HKT06-001系列光电码盘，施密特触发器的作用是将输入的电平信号进行整形，接单片机的中断口INTO，在中断程序中对脉冲信号进行运算。
2.4 键盘输入和液晶显示模块
本系统使用7个键控制，其中Kl-K5控制液晶显示：K1为菜单键，K2为“+”键，K3为“一”键，K4为光标键，K5为退出键；K6和K7分别为伺服电机的运行键和停止键。使用矩阵式键盘设定伺服电机的开启、停止和转速。
本系统采用金鹏12864液晶，数据通过并行模式进行传输，键盘的配合实现系统菜单和参数的显示。
3 软件设计
系统的控制软件程序包括初始化模块、自诊断模块调试模块、按键处理模块、液晶显示模块、电机驱动及控制模块。初始化模块包括液晶初始化和全局参数初始化。自诊断模块判断设备运行是否正常，诊断的内容有伺服电机能否转动，液晶是否正常忙碌等。键盘处理模块完成各种输入参数的处理和相应控制命令的执行。液晶显示用于实时显示系统平台的各种参数和运行状态，控制不同显示界面之间的切换。电机驱动及控制模块用于完成驱动伺服电机转动、小转轴转速检测及电机恒线速度的控制。
系统主程序的流程图如图6所示。上电后系统复位，初始化系统中的参数、命令以及相关存储器的初始状态。系统自诊断模块检测设备是否能正常工作，若不正常，则系统强制复位。完成初始化和自诊断正常后，在液晶显示“Readv”并等待键扫描。若无按键按下，则继续等待；若有相应液晶的按键按下时，显示菜单界面，主界面显示单片机产生脉冲的频率和伺服电机的转速，并等待液晶功能键的扫描。当有菜单键按下的时候，执行相应的功能。
当运行键按下时，单片机启动定时器0；当溢出产生中断时电平翻转产生脉冲，从而通过伺服电机驱动器带动伺服电机的转动，同时光电编码器执行小转轴转速检测，并且反馈到单片机。单片机执行PID控制算法，使卷曲系统恒线速度控制。
4 系统调试
组装完成的系统如图7所示。按照控制系统原理图，借助Matlab中的Simulink对小转轴转速精确控制进行仿真，分别双击3个“Gain”元件，在其对话框中加入相应的Kp、Ki和Kd的数值，即构成PID控制器，直流伺服电机的s函数是：，系统构建的阶跃输入响应仿真图如图8所示。
当小转轴的转速n2设定为10r/min，小转轴的半径r为5mm，收卷装置的半径R为40mm，令Ki=0，Kd=0，使系统投入闭环运行然后由大到小改变K。，使扰动信号作阶跃变化，观察仿真结果，直到输出得到一个持续稳定的震荡。令Ki=Kp×0.83，然后由小到大变化，观察直到输出一个持续稳定的震荡。最后引入适当的Kd，不断调节，直到输出结果稳定，小转轴转速变化基本控制在3%以内，系统的PID参数调节调试结果如表l所示。
通过观察得出该系统比较合适的P、I、D三者的参数值为：Kp=5，Ki=1.2，Kd=0.3。
参数调节结果显示，系统实现了恒线速度控制的要求。将系统的卷曲装置和控制系统进行联机调试，首先将系统的程序烧写到MPC82G516单片机中，待伺服电机运行平稳后，对检测试纸开始卷曲，通过液晶屏显示，卷曲的线速度保持在一个恒定的范围内，变化幅度很小。因此此系统满足控制要求。
5 结束语
本系统采用MPC82G516单片机开发板作为主控制器，将伺服电机的转速和卷曲半径紧密结合起来，通过程序设计进行软件仿真完成伺服电机的闭环控制，达到恒线速度控制的要求。本文设计的控制系统可以弥补现在卷曲装置的缺点和不足，避免了划线不均匀的现象，工作可靠性及卷曲试纸质量得到提高，并且可以根据需要在实际卷曲过程中调节卷曲的快慢，自动化程度高，调试结果表明了该系统具有可行性，并具有一定的应用前景。
关键词：恒线速度控制；划膜仪；MPC82G516单片机；ACS606伺服电机驱动器
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）03-0069-04
0 引言
随着快速诊断试纸技术的快速发展，划膜仪作为生产快速检测试纸的专业设备，已广泛应用于生物医学领域。在生产线上，快速检测试纸条的匀速划线和卷取是一道非常重要的工序，匀速卷曲对试纸条划线至关重要。在开卷一卷取系统中，卷取直径会随着卷取过程变大，若采用恒转速电机控制，其线速度也会逐渐变大。而用户对试纸产品的卷曲质量要求越来越高，卷取机恒线速度的实现直接影响试纸划线的质量。国产卷曲机与造纸机一样，长期停留在窄幅、慢速、手控的水平上。卷纸在从副臂转到主臂的过程，以及引纸和换卷，大部分靠手动完成，劳动强度大，安全性较差，而且卷曲的纸外紧内松，易形成弯曲的形状，造成卷曲试纸质量下降或报废。传统的卷曲机恒线速度控制装置为模拟系统，控制精度低，而且由于调试不便，实际难以达到恒线速度。而国外卷曲机价格昂贵，并且在试纸条在升降速的过程中，更需要保持线速度的恒定，容易出现划线不均匀等现象。因此，需设计恒线速度控制系统，满足试纸生产的要求。本文针对传统卷曲机的不足，设计了用单片机、伺服电机为核心的伺服控制系统，与前者相比，系统集成度高、硬件电路简单、可靠性和适应性强，实现了试纸恒线速度卷曲，并且价格适中，在试纸卷曲过程中有较高的应用价值。
1 系统总体设计
1.1 设计方法和实施方案
划膜仪的恒线速度控制系统采用位置精度准确的直流伺服电机，带动收卷装置，在卷曲过程中，卷曲半径不断增大，伺服电机的转速必须逐渐减小，使线速度保持匀速。光电编码器时刻检测小转轴的转速并反馈到单片机中，单片机进行PID控制，调节输出脉冲的频率，控制伺服电机的转速，形成闭合回路。
检测试纸在卷曲平台上由注射泵进行划线，仪器通过液晶显示屏进行操作，伺服电机的转速以及检测试纸的线速度可由键盘输入设定。线速度的大小可以由液晶显示屏显示。
1.2 系统控制原理
控制系统主要包括硬件和软件两部分。划膜仪卷曲操作平台如图1所示。
诊断试纸由右侧B放卷，左侧A收卷，A转轴连接雷赛伺服电机，小转轴连接光电编码器，划膜仪在操作平台上对试纸进行划线，卷取过程为恒线速度控制过程。伺服电机驱动器用于驱动伺服电机，其通过单片机产生脉冲的频率来控制伺服电机的转速，从而带动收卷装置的卷曲。较小的转轴通过光电码盘向单片机反馈小转轴的转速，单片机控制输出脉冲的频率，调节伺服电机的转速，实现恒线速度的控制。按键的设计用来实现划膜速度的控制以及系统的开启和停止；而液晶显示电路实现系统菜单和参数的显示。
划膜仪控制系统闭环方框图如图2所示，R为收卷装置的半径，r为小转轴的半径，n1为伺服电机的转速，n2为小转轴的转速；随着卷曲半径R逐渐增大，若伺服电机的转速保持不变，则收卷装置的线速度也随之增大，要保持线速度恒定，必须保持收卷装置的线速度和小转轴的线速度大小相同，即：，由于r不变，所以小转轴的转速n2可以实时检测出来，将n2作为设定量，控制其保持不变，从而线速度恒定。
图中Vxp为设定线速度，nxp为设定转速，V为瞬时线速度；由于v=2πrn2，所以nxp=vxp/2πr。系统的前向通道通过PID控制调节伺服电机的输入，伺服电机的输出为nl，则收卷装置的线速度v=2πRn1；通过光电码盘每隔一定时间测量小转轴转速n2，与系统设定的卷取转速nxp比较，得到转速偏差；通过PID调节控制产生脉冲频率，按新的频率f发给伺服电机控制信号，纠正一次转度偏差，形成闭合回路，再通过PID控制n2紧跟随nxp，从而使得线速度恒定。
2 系统硬件设计
本文设计的卷曲控制系统由划膜卷曲机操作平台、单片机、光电码盘、伺服电机及其驱动模块、液晶显示、键盘6部分组成。系统硬件组成如图3所示。
根据功能需求，系统的硬件分为以下4个模块：单片机控制模块、伺服电机及驱动模块、信号采集和处理模块、键盘输入和液晶显示模块。
2.1 单片机控制模块
在系统中，控制器采用笙泉开发板M-508U，其单片机的型号为MPC82G516，除了8051MCU的标准功能外，许多系统级功能已经集到MPC82G516A内部，功能有1024字节的扩展随机存储，一个额外的1/0口，PCA，SPI，10位模傲转换器，第二UART接口，辅助键盘中断，一个看门狗定时器等。本系统采用的伺服电机分辨率是4000线，即电机每转动一圈需要4000个脉冲，则伺服电机转速的计算公式为
n=（60f/4000）r/min
（l）
所以欲设计伺服电机的转速为10r/min，所需单片机产生脉冲的频率应该是：
f=4000n/60=666Hz
（2）
即单片机每秒钟产生666个脉冲，伺服电机的转速为10r/min。单片机脉冲信号的产生是由可编程计数阵列（PCA）实现的。本系统PCA中的定时器O溢出作为时基信号输入源，工作方式采用捕捉/比较模块的8位PWM模式，由于需要输出方波，将PWM的占空比设为50%，输出脉冲的频率由定时器O的溢出频率来决定。单片机通过输出不同频率的脉冲控制伺服电机的转速。 2.2 伺服电机及驱动模块
为了满足对控制系统恒线速度的控制，系统采用直流伺服驱动电机，相当于整个恒线速度控制系统的执行部分；能实现位置、速度和力矩的闭环控制，且抗过载能力强，电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内，能精确快速地实现系统控制的要求。本系统采用雷赛BLM57090-1OOO直流无刷伺服电机，配套ACS606全数字交流伺服驱动器，可以达到交流伺服级的性能，该伺服电机本身具有编码器，所以伺服电机的转速可以通过编码器实时检测到单片机中。ACS606与单片机的控制信号接线图如图4所示。
单片机输出脉冲信号，经过ACS606伺服电机驱动器，将输出信号放大到可以驱动伺服电机信号，从而驱动伺服电机转动。
2.3 信号采集和处理模块
以单片机为核心控制器的信息处理和过程控制，小转轴的转速检测是重要组成部分，为了达到控制精度，选择精度高的光电码盘进行小转轴转速信号的检测和采集，并将采集到的信号转化为相应的电信号，送到单片机进行处理，进而控制伺服电机其硬件原理图如图5所示。
本系统采用HKT06-001系列光电码盘，施密特触发器的作用是将输入的电平信号进行整形，接单片机的中断口INTO，在中断程序中对脉冲信号进行运算。
2.4 键盘输入和液晶显示模块
本系统使用7个键控制，其中Kl-K5控制液晶显示：K1为菜单键，K2为“+”键，K3为“一”键，K4为光标键，K5为退出键；K6和K7分别为伺服电机的运行键和停止键。使用矩阵式键盘设定伺服电机的开启、停止和转速。
本系统采用金鹏12864液晶，数据通过并行模式进行传输，键盘的配合实现系统菜单和参数的显示。
3 软件设计
系统的控制软件程序包括初始化模块、自诊断模块调试模块、按键处理模块、液晶显示模块、电机驱动及控制模块。初始化模块包括液晶初始化和全局参数初始化。自诊断模块判断设备运行是否正常，诊断的内容有伺服电机能否转动，液晶是否正常忙碌等。键盘处理模块完成各种输入参数的处理和相应控制命令的执行。液晶显示用于实时显示系统平台的各种参数和运行状态，控制不同显示界面之间的切换。电机驱动及控制模块用于完成驱动伺服电机转动、小转轴转速检测及电机恒线速度的控制。
系统主程序的流程图如图6所示。上电后系统复位，初始化系统中的参数、命令以及相关存储器的初始状态。系统自诊断模块检测设备是否能正常工作，若不正常，则系统强制复位。完成初始化和自诊断正常后，在液晶显示“Readv”并等待键扫描。若无按键按下，则继续等待；若有相应液晶的按键按下时，显示菜单界面，主界面显示单片机产生脉冲的频率和伺服电机的转速，并等待液晶功能键的扫描。当有菜单键按下的时候，执行相应的功能。
当运行键按下时，单片机启动定时器0；当溢出产生中断时电平翻转产生脉冲，从而通过伺服电机驱动器带动伺服电机的转动，同时光电编码器执行小转轴转速检测，并且反馈到单片机。单片机执行PID控制算法，使卷曲系统恒线速度控制。
4 系统调试
组装完成的系统如图7所示。按照控制系统原理图，借助Matlab中的Simulink对小转轴转速精确控制进行仿真，分别双击3个“Gain”元件，在其对话框中加入相应的Kp、Ki和Kd的数值，即构成PID控制器，直流伺服电机的s函数是：，系统构建的阶跃输入响应仿真图如图8所示。
当小转轴的转速n2设定为10r/min，小转轴的半径r为5mm，收卷装置的半径R为40mm，令Ki=0，Kd=0，使系统投入闭环运行然后由大到小改变K。，使扰动信号作阶跃变化，观察仿真结果，直到输出得到一个持续稳定的震荡。令Ki=Kp×0.83，然后由小到大变化，观察直到输出一个持续稳定的震荡。最后引入适当的Kd，不断调节，直到输出结果稳定，小转轴转速变化基本控制在3%以内，系统的PID参数调节调试结果如表l所示。
通过观察得出该系统比较合适的P、I、D三者的参数值为：Kp=5，Ki=1.2，Kd=0.3。
参数调节结果显示，系统实现了恒线速度控制的要求。将系统的卷曲装置和控制系统进行联机调试，首先将系统的程序烧写到MPC82G516单片机中，待伺服电机运行平稳后，对检测试纸开始卷曲，通过液晶屏显示，卷曲的线速度保持在一个恒定的范围内，变化幅度很小。因此此系统满足控制要求。
5 结束语
本系统采用MPC82G516单片机开发板作为主控制器，将伺服电机的转速和卷曲半径紧密结合起来，通过程序设计进行软件仿真完成伺服电机的闭环控制，达到恒线速度控制的要求。本文设计的控制系统可以弥补现在卷曲装置的缺点和不足，避免了划线不均匀的现象，工作可靠性及卷曲试纸质量得到提高，并且可以根据需要在实际卷曲过程中调节卷曲的快慢，自动化程度高，调试结果表明了该系统具有可行性，并具有一定的应用前景。