王湘明 楊忠勝 郭雨梅

摘要：本設(shè)計(jì)研究了基于STM32的全自動(dòng)現(xiàn)金打捆機(jī)的原理與實(shí)現(xiàn)，并給出了相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和軟件流程框圖以及控制過(guò)程中的處理方法。該系統(tǒng)綜合分析了現(xiàn)有幾種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)硬件控制和機(jī)械設(shè)計(jì)部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制完成現(xiàn)金打捆，既簡(jiǎn)化了設(shè)備的體積，又具有實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整功能，真正實(shí)現(xiàn)了高精度的閉環(huán)可自修正控制。

關(guān)鍵詞：STM32;現(xiàn)金打捆機(jī);閉環(huán)控制;步進(jìn)電機(jī)

引言

現(xiàn)金打捆機(jī)是一款為了解決金融系統(tǒng)紙幣捆扎而研制的捆鈔設(shè)備，其將百?gòu)埣垘乓黄疬M(jìn)行打捆，以便于清點(diǎn)、運(yùn)輸和保存。目前國(guó)內(nèi)全自動(dòng)現(xiàn)金打捆機(jī)的硬件系統(tǒng)中，進(jìn)收帶機(jī)構(gòu)多采用光電編碼盤(pán)控制進(jìn)收帶量，對(duì)控制三個(gè)壓頭的打捆機(jī)構(gòu)多采用機(jī)械凸輪完成現(xiàn)金打捆，但是這大大增加了設(shè)備的體積和控制的復(fù)雜度;其軟件系統(tǒng)中，大多采用PLC控制，但是PLC成本高，保密性差，并且對(duì)現(xiàn)金打捆機(jī)某些控制單元有特殊要求，難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控、自我修正的閉環(huán)控制[1]。因此，本設(shè)計(jì)基于解決以上問(wèn)題，提出一種采用步進(jìn)電機(jī)代替機(jī)械凸輪的新型設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)自行開(kāi)發(fā)軟硬件，具有成本低、精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)金打捆機(jī)工作原理

系統(tǒng)通過(guò)STM32芯片協(xié)同控制，對(duì)進(jìn)收帶機(jī)構(gòu)采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)與壓力開(kāi)關(guān)巧妙配合，完成進(jìn)帶、收帶、緊帶;對(duì)打捆機(jī)構(gòu)中的三個(gè)壓頭采用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立控制，這樣當(dāng)現(xiàn)金打捆過(guò)程中發(fā)生特殊情況時(shí)，只需調(diào)用相應(yīng)的復(fù)位子程序，即可實(shí)現(xiàn)自我修正。其具體打捆工作流程，如圖1所示：

（1）當(dāng)現(xiàn)鈔進(jìn)入工作臺(tái)指定位置后，現(xiàn)金打捆機(jī)通電，進(jìn)入現(xiàn)金打捆工作流程[2]。

（2）a為送帶過(guò)程：?jiǎn)?dòng)進(jìn)收帶電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)始進(jìn)帶，當(dāng)捆扎帶自由端碰到帶道上的“進(jìn)帶到位”微動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，進(jìn)收帶電機(jī)停止工作。

（3）b為緊帶過(guò)程：固定壓頭電機(jī)正轉(zhuǎn)，壓好帶頭側(cè)后，固定壓頭電機(jī)停止工作。同時(shí)，啟動(dòng)進(jìn)收帶電機(jī)反轉(zhuǎn)開(kāi)始緊帶，當(dāng)檢測(cè)到捆扎帶被抽緊，即“收帶到位”壓力開(kāi)關(guān)置位時(shí) ，進(jìn)收帶電機(jī)停止工作。

（4）c為再收緊過(guò)程：收緊壓頭電機(jī)正轉(zhuǎn)，壓好帶尾側(cè)后，收緊壓頭電機(jī)停止工作。這時(shí)，現(xiàn)鈔被完全捆扎緊。

（5）d為熱合剪斷過(guò)程：同時(shí)，啟動(dòng)熱合剪斷壓頭電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)始熱合剪斷，根據(jù)捆扎帶此時(shí)角度設(shè)計(jì)布置的熱合片比剪刀高，但在熱合剪斷壓頭上升過(guò)程中，捆扎帶先被剪斷，然后熱合片將捆扎帶加壓熔接。

（6）最后熱合剪斷壓頭電機(jī)、收緊壓頭電機(jī)、固定壓頭電機(jī)依次反轉(zhuǎn)，復(fù)位到初始位置。這時(shí)，捆扎帶加壓熔接處冷卻，得到牢固的接頭，至此完成現(xiàn)金打捆工作。

圖1 現(xiàn)金打捆機(jī)工作模型的打捆過(guò)程示意圖

1、進(jìn)收帶電機(jī)，2、捆扎帶，3、帶道，4、現(xiàn)鈔，5、微動(dòng)開(kāi)關(guān)，6、固定壓頭電機(jī)，7、壓力開(kāi)關(guān)，8、收緊壓頭電機(jī)，9、熱合剪斷壓頭，10、熱合板，11、剪刀，12、螺栓傳動(dòng)軸

1.2控制系統(tǒng)硬件組成

現(xiàn)金打捆機(jī)的硬件控制電路主要包括STM32控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、熱合剪斷壓頭電機(jī)、收緊壓頭電機(jī)、固定壓頭電機(jī)、位置狀態(tài)傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、電源管理幾大部分。其主要硬件框圖，如圖2所示：

圖2 現(xiàn)金打捆機(jī)主要硬件框圖

控制系統(tǒng)主控芯片采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列32位閃存微控制器，該芯片非常適合在要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式控制領(lǐng)域應(yīng)用。STM32具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 在Cortex-M3架構(gòu)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，在提升性能的同時(shí)，所有新功能都具有較低的功耗，其內(nèi)核電壓為1.8V，芯片電壓為3.3 V，可以選擇睡眠模式、待機(jī)模式，保證低功耗應(yīng)用的要求;相對(duì)于ARM系列其他芯片，STM32運(yùn)行速度更快; 7個(gè)TM最多可以產(chǎn)生28個(gè)精準(zhǔn)的PWM信號(hào)，方便地用于步進(jìn)電機(jī)控制;豐富的通信模塊便于與上位機(jī)進(jìn)行通信[3]。

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、定位保持力、開(kāi)回路控制不必依賴(lài)傳感器定位等特點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用[4]。本系統(tǒng)要用到4臺(tái)兩相四線制42BYG102步進(jìn)電機(jī)，采用L6208N驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)[5]。

主控芯片接收到打捆指令并將其轉(zhuǎn)化為用于控制步進(jìn)電機(jī)的PWM信號(hào)和方向信號(hào)，然后通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行將更加平穩(wěn)[6]。其中控制一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)需要STM32產(chǎn)生PWM信號(hào)和方向控制信號(hào)，并利用HCPL0630光電耦合器進(jìn)行光耦隔離后經(jīng)三極管放大輸出。通過(guò)光耦合器的隔離，電路具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。三極管放大采用開(kāi)漏輸出，方便線與邏輯功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)外接不同上拉電阻可以增加外圍的驅(qū)動(dòng)能力。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制程序流程圖

系統(tǒng)主要通過(guò)各個(gè)步進(jìn)電機(jī)和傳感器的協(xié)調(diào)配合，實(shí)時(shí)監(jiān)控位置狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)現(xiàn)金打捆過(guò)程中發(fā)生特殊情況時(shí)，只需調(diào)用相應(yīng)的復(fù)位子程序，即可實(shí)現(xiàn)自我修正，真正實(shí)現(xiàn)了高精度的閉環(huán)可自修正控制。其整體控制流程圖，如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)整體控制流程圖

步進(jìn)電機(jī)的控制程序主要是通過(guò)完成STM32F10x芯片的初始化，以及RTX內(nèi)核的初始化工作，設(shè)置好CLOCK、CONTROL、HALF/、CW/ 、RESET、EN的所需預(yù)定值，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)等功能。其中將TIM2的第1個(gè)通道配置成PWM模式，此模式可以產(chǎn)生一個(gè)由TIM2_ARR寄存器值確定頻率、TIM2_CCR1寄存器值確定占空比的信號(hào)。為使步進(jìn)電機(jī)能穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，將TIM2_CCR1 的值設(shè)置為T(mén)IM2_ARR的一半。通過(guò)修改對(duì)硬件的初始化，可改變對(duì)電機(jī)的控制策略，系統(tǒng)具有較好的通用性[7]。

2.2 打捆機(jī)構(gòu)控制原理及實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)打捆機(jī)構(gòu)中的三個(gè)壓頭的協(xié)同控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)金打捆。設(shè)計(jì)中將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與螺栓傳動(dòng)軸固定在一起，螺母固定在三個(gè)壓頭底部，這樣通過(guò)螺栓傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)壓頭的升降，問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制。

在公制螺栓中，一般會(huì)標(biāo)明，稱(chēng)呼徑、牙距、長(zhǎng)度等規(guī)格參數(shù)，這樣就可以得到螺絲直徑d、螺距p、螺紋長(zhǎng)度l。以一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)打捆機(jī)構(gòu)中的一個(gè)壓頭需要升降的高度為h（h

如果42BYG102步進(jìn)電機(jī)采用兩相八拍運(yùn)行方式， 轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒，則運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50×8）=0.9度。設(shè)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分倍數(shù)、電機(jī)運(yùn)行總步數(shù)、PWM脈沖總個(gè)數(shù)分別為 n、N、P，則

這樣，就可以根據(jù)PWM脈沖總個(gè)數(shù)P在程序中的設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)給定的打捆機(jī)構(gòu)中的各個(gè)壓頭需要升降的高度。

步進(jìn)電機(jī)每一次目標(biāo)位置的移動(dòng)，都需要經(jīng)過(guò)啟動(dòng)、加速、高速、減速和制動(dòng)過(guò)程。速度大小是由PWM脈沖信號(hào)頻率決定的，所以完成目標(biāo)位置移動(dòng)的過(guò)程就是不斷調(diào)整PWM脈沖信號(hào)頻率的過(guò)程。STM32定時(shí)器產(chǎn)生的PWM脈沖頻率是由時(shí)鐘頻率f、預(yù)分頻值M、計(jì)數(shù)周期T決定的，而時(shí)鐘頻率和計(jì)數(shù)周期通常固定不變，所以只需通過(guò)修改預(yù)分頻值來(lái)調(diào)整輸出脈沖頻率，就可以調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。

3.結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)改進(jìn)了現(xiàn)有現(xiàn)金打捆機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)：采用STM32F10x微處理器進(jìn)行硬件控制，提高了系統(tǒng)的精度;同時(shí)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)打捆機(jī)構(gòu)中的三個(gè)壓頭進(jìn)行協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了原有凸輪的功能。經(jīng)過(guò)功能調(diào)試，系統(tǒng)既簡(jiǎn)化了設(shè)備的體積，又具有實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整功能，真正實(shí)現(xiàn)了高精度的閉環(huán)可自修正控制，能夠完成現(xiàn)金打捆，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的要求和效果。

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作者簡(jiǎn)介：楊忠勝，學(xué)生，碩士，主要研究領(lǐng)域：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。