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标题

基于STC15F2K60S2单片机的丝束张力平衡控制系统设计

范文

张鹏　闫丽萍　张孝友　赵松斌　冯银龙

摘要：本文开发了一种基于STC15F2K60S2高性能单片机的丝束张力平衡控制系统，通过对伺服电机转速和丝束张力摆杆位置的合理调节来保证进入滤棒成型机的丝束张力处于平衡稳定状态，最后对该系统进行了现场检验。结果表明，该系统能有效保证进入丝束成型机的丝束张力平衡稳定，为卷烟企业滤棒丝束的质量控制提供了很好的技术保障。

关键词：丝束张力;STC15F2K60S2单片机;中央控制器;绝对值位置传感器

中图分类号：TQ920.5;TP368.12 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）13-0051-04

Design of Filter Tow Tension Balance Controller Based

on C8051F120 Microcontroller

ZHANG Peng1 YAN Liping1 ZHANG Xiaoyou2 ZHAO Songbin1 FENG Yinlong1

（1.Luoyang Cigarette Factory， China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.，Luoyang Henan 471000;2.School of Vehicle and Transportation Engineering， Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471003）

Abstract： In this paper， a control system based on STC15F2K60S2 high performance microcomputer was developed. By adjusting the rotation speed of the servo motor and the position of the swaying bar of the tow tension， the system can ensure that the tow tension entering the filter rod forming machine is in a balanced and stable state. Finally， the system was tested on the spot. The results show that the system can effectively guarantee the balance and stability of the tension of the tow entering the tow forming machine， and provide a good technical guarantee for the quality control of the filter rod and the tow of the cigarette enterprise.

Keywords： tow tension;STC15F2K60S2 microcontroller;central controller;absolute position sensor

卷煙滤棒吸阻均匀性是卷烟质量的重要标准之一。造成滤棒吸阻不均匀的根本原因是滤棒成型时丝束密实度不够均匀。不同厂家、不同牌号的丝束密实度不同;由于打包机械的不稳定性和压力偏差，也会造成丝束密实度不同。此外，同一丝束包中，由于重力原因，内部不同部分的压实程度也存在差异：上部丝束由于所受重力，压力较小，压实程度小;下部则相反，也会在一定程度上造成吸阻均匀性变化，从而影响卷烟质量。为了使进入滤棒成型工位的丝束具有同一密实度，理想的方式是在丝束进入滤棒成型机之前采用特定装置对丝束进行压力均衡处理，从而实现丝束密实度的统一[1-5]。不同张力下，丝束密实度进入稳定状态的时间是不同的，在连续高速生产过程中，丝束从丝束包进入成型机的时间只有不到2 s，为了能在这么短的时间内让丝束密实度进入稳定状态，通过实验方法可以测得一个能让丝束密实度稳定时间最短的张力，而且这个丝束张力的设定值应该可以根据丝束包的不同进行自动修正，进而找到最佳张力值和最佳密实度调整时间，即可维持滤棒丝束的密实度均匀，保证滤棒吸阻均匀。

1 系统机械工作原理

本文设计的基于STC15F2K60S2的丝束张力平衡控制系统由丝束张力平衡机械机构和电子控制系统两部分组成。考虑到卷烟企业卷包生产线的自动化、集成化程度较高，对丝束进入滤棒成型机的速度及其稳定性有严格的要求，因此，本系统的整体设计思路是在保证丝束进入滤棒成型机的速度一定的情况下，通过合理调节控制器内部驱动丝束给进的伺服电机转速和丝束张力摆杆的偏转角度，以保证进入滤棒成型机的丝束张力处于平衡稳定状态。图1是系统的结构简图。

系统的工作原理为：当滤棒成型机启动时，丝束张力平衡控制系统自动进入工作状态，进入滤棒成型机的丝束速度变化会带动摆杆的位置变化，丝束速度变化越快，摆杆的位置越低。传感器会检测摆杆的位置信息发给高速微控制器，微控制器会根据操作员设定的目标摆杆位置和当前的摆杆位置作比较，进而通过控制伺服驱动器来控制伺服电机。伺服电机的转速反过来又影响摆杆的位置，这样形成一个完整的闭环反馈系统。正常工作时，滤棒成型机的丝束速度与伺服电机的转速形成一个动态平衡，使摆杆的位置一直处在操作员设定的目标位置。摆杆一直处于目标位置，也就说明丝束受到的张力在一定程度上是恒定的，这就解决了丝束张力不均衡的问题[6-8]。

2 系统电控原理

本系统电控部分主要由电动推杆、伺服控制器、伺服电机、微控制器（MCU）、绝对值编码器及人机交互界面（HMI）等组成。电动推杆选用直流12 V的电动推杆，推杆两头各有一个行程限位开关，伸缩杆运行到底或到顶后，会自动停止。由于电动推杆的作用主要是控制橡胶压紧轮的压紧和抬起，橡胶压紧轮本身重力不大，且对压紧和抬起的速度没有严格要求;因此，选用这款电动推杆作为橡胶滚轮压紧和抬起的动力来源。

在自动控制系统中，伺服电机用来驱动控制对象，其转矩和转速受信号电压控制。由于伺服电机具有良好的高速性能、强大的抗过载能力、极好的稳定性和快速的及时性等优点，所以伺服电机在实际工业控制中应用非常广泛。该丝束张力平衡控制系统选用200 W的永磁同步交流伺服电动机，其伺服控制器具有2种控制模式，即位置控制模式和速度控制模式。位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲频率来确定转动速度大小，通过脉冲的个数来确定转动角度。速度控制模式通过模拟量的输入或脉冲频率进行转动速度的控制。该丝束张力平衡控制系统采用速度控制模式，外部模拟电压±10 V对应的模拟转速。

微控制器选用STC15F2K60S2单片机。STC15F2K60S2单片机是目前8位微控制器中功能最齐全、性能最优的一款。其内部还有2 KB的RAM和60 KB的FLASH，用于数据和程序的存储。另外还有2个串口、6个定时器和3通道的捕获比较单元。此微控制器完全满足对丝束张力平衡控制系统的要求。

人机交互界面选用智能串口HMI液晶触摸屏。智能串口触摸屏将系统控制和界面显示完美地分离开来，使用串口指令的方式控制，人机交互界面的设计和制作则全部由配套的上位机组态软件完成。其具有标配的TTL电平串口，无须电平转换可直接连接单片机。

该丝束张力平衡控制系统使用绝对值编码器来检测摆杆的位置信息，绝对值编码器型号为STM38-01-05-FR。该绝对值编码器由机械位置决定的每个位置的数值是唯一的，其无须记忆，无须找参考点;采用非接触磁传感器技术，具有较高的可靠性;14位绝对值编码器，高精度。电控系统控制原理如图2所示。

微控制器采集绝对值编码器的位置信号，与设定的目标位置进行比较，在微控制器中进行前馈PID运算，将计算结果转化模拟电压量来控制伺服电机的转速，从而使丝束预拉力维持恒定，人机交互界面用于显示工作状态和进行参数设定。

3 控制系统设计

3.1 前馈PID控制算法

该丝束张力平衡控制系统本身是一个时滞系统。其滞后主要体现在3个方面：第一，绝对值编码器带来的滞后延时;第二，电机的加速时间常数是一个滞后时间，电机从零速到达指定速度有一个加速过程;第三，丝束本身是一个弹性系统，在一定程度上也会造成滞后[9]。前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的控制系统，与反馈控制相比，其能更加及时地进行控制，并且不受系统滞后的影响。

在该丝束张力平衡控制系统中，将滤棒成型机中丝束的速度作为前馈补偿量，以对控制系统进行前馈补偿，从而达到好的控制效果。前馈补偿PID原理如图3所示。

微处理器采集滤棒成型机的速度信号乘以设定的前馈系数得到的数值与PID算法得到的结果作为DA输出的数字信号，得到模拟电压信号控制伺服电机的转速，伺服电机的转速进而影响摆杆的实时位置形成一个闭环反馈系统，从而达到良好的控制效果。

3.2 保护逻辑控制

对于一个控制系统来说，除了正常的工作状态外，还需要对故障进行处理。该丝束张力平衡控制系统采用二重保护，二重保护包括推杆的超时保护和丝束的冗余长度保护[10]。推杆的超时保护是用于系统开始工作之前对系统电动推杆的一个检测保护。只有在规定的时间内，电动推杆带动橡膠压紧轮到达压紧或抬起状态，系统才被认定为正常。丝束的冗余丝束长度保护是在系统工作过程中的自由丝束长度的检测保护。当检测到自由丝束的长度大于设置的丝束长度时，系统处于保护状态。只要微处理器检测到保护信息，系统停止工作，并且人机交互界面会显示相对应的保护信息，故障清除且系统复位之后才能重新启动。其保护逻辑控制流程如图4所示。

3.3 人机交互界面设计

人机交互界面主要是架起用户与系统之间的沟通桥梁。用户可以通过交互界面清楚地了解到系统的状态信息，并且可以对系统进行必要的操作，从而完成对整个系统的控制。

在该丝束张力平衡控制系统中，参数标定界面主要对安装有绝对值编码器的摆杆位置进行标定，包括摆杆的起始位置、摆杆的结束位置、摆杆的目标位置;在PID调节界面，主要是对该丝束张力平衡控制系统所用的前馈PID控制算法的比例、积分、微分及前馈系数等参数进行设置，这些参数直接影响系统的控制性能。参数标定界面如图5所示，PID调节界面如图6所示。

4 试验验证

将研制好的丝束张力平衡控制系统在洛阳中烟厂投入使用，实现了滤棒生产中丝束张力的实时采集和自动化处理。于2019年5月对丝束张力平衡装置随机抽取了不同时段的丝束吸阻测试值，与没有采用该装置的丝束吸阻进行对比。表1为丝束张力平衡装置安装前吸阻标偏及超标支数表，表2为丝束张力平衡装置安装后吸阻标偏及废品率表。

从表1和表2可以得到：经过丝束张力平衡控制系统采集的丝束吸阻数据准确，吸阻稳定，偏差降低了20%，超标支数降低了3倍以上，有效解决了丝束张力不均衡问题。

5 结论

本文设计了一种基于STC15F2K60S2高性能单片机的丝束张力平衡控制系统，通过对伺服电机转速和丝束张力摆杆位置的合理调节来保证进入滤棒成型机的丝束张力处于平衡稳定状态。经过现场试验，结果表明该系统能有效保证进入丝束成型机的丝束张力平衡稳定，为卷烟企业滤棒丝束的质量控制提供了良好的技术保障。

参考文献：

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[5]王红娜，赵树涛，李敏.绝对值编码器的应用[J].金属加工（冷加工），2016（4）：60-62.

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[7]刘媛媛，张如萍，张正和，等.基于伺服电机和PLC的工作台运动控制[J].机械工程与自动化，2012（4）：126-128.

[8]刘新乐，殷晓坤，朱佳琪，等.基于伺服电机的上盖机控制系统设计[J].包装与食品机械，2018（4）：54-57.

[9]赵长海，万秋华，佘容红，等.24位绝对式光电编码器数据采集系统[J].半导体光电，2010（3）：468-471.

[10]朱思荣，周万里，毕春元，等.C8051F120单片机串口扩展与通讯设计[J].山东科学，2013（1）：69-73.

收稿日期：2020-04-12

作者简介：张鹏（1973—），男，本科，工程师，研究方向：卷烟工艺。

通信作者：冯银龙（1969—），男，本科，高级工程师，研究方向：卷烟工艺。

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