СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАНЕСЕНИЯ ЭТИКЕТКИ НА ПОДВИЖНЫЙ ОБЪЕКТ
Схема управления шаговым двигателем для нанесения этикетки на подвижный объект 43
УДК 681.5
В. С. ПАНИЩЕВ, О. Б. СЛАВКОВА
СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАНЕСЕНИЯ ЭТИКЕТКИ
НА ПОДВИЖНЫЙ ОБЪЕКТ
Предложена схема управления шаговым двигателем для автоматизированной системы, предназначенной для переноса самоклеящейся этикетки с ленты (подложки) на подвижный объект.
Ключевые слова: микроконтроллер, автоматизированная система управления, самоклеящаяся этикетка.
В организации обслуживания технологического процесса важную роль играют локаль-
ные системы, предназначенные для контроля и управления отдельными, не связанными меж-
ду собой объектами, и в иерархической системе управления образующие нижний уровень
(например, автоматизированная система управления автомата для нанесения самоклеящихся
этикеток — марок, ценников и т.п. — на подвижный объект). Применение таких систем
актуально для пищевой, косметической, фармацевтической промышленности.
В настоящей статье рассмотрена схема управления шаговым двигателем для автомати-
зированной системы нанесения этикетки на подвижный объект. В системе используются оп-
тический датчик с регулируемой чувствительностью, определяющий наличие объекта в зоне
действия, и индуктивный датчик, контролирующий положение этикетки.
Для согласования скорости движения объекта и этикетки в системе применен кон-
троллер. Перед началом работы необходимо записать в память контроллера данные об опти-
мальном времени прохождения этикетки для определения скорости движения ленты, так как
с увеличением диаметра наматываемого рулона (подложки) увеличивается угловая скорость,
а следовательно, и линейная. Скорость корректируется благодаря сравнению с зафиксиро-
ванным в памяти оптимальным временем прохождения этикетки, что приводит к стабильной
и бесперебойной работе автомата в целом [см. лит.].
Для реализации автоматического режима управления необходимо на основе показаний
датчика выполнять сравнение времени цикла с эталонным (заданным). Началом отсчета вре-
мени цикла является команда включения подачи этикетки датчика, окончанием — сигнал
остановки, поступающий с датчика. Поскольку в
T
процессе работы радиус барабана с этикетками уменьшается, необходимо изменять скорость его
l
T1 l1
вращения для согласования со скоростью движения объекта, т.е. необходимо рассчитать изменение частоты или текущее значение частоты следования
αR
α1 R1
импульсов для шагового двигателя.
Рассмотрим продольное сечение барабана с
самоклеящейся этикеткой (рис. 1), где f и f1 — начальное и текущее значение частоты вращения
f
f1 Рис. 1
шагового двигателя; T и Т1 — начальное и текущее время одного цикла; R, α и R1, α1 — на-
чальные и текущие значения радиуса и угла для барабана с самоклеящейся этикеткой;
l=l1=const — размер этикетки:
l = ϑT , l1 = ϑ1T1 ,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
44 В. С. Панищев, О. Б. Славкова
ϑ, ϑ1 — начальная и текущая линейная скорость вращения барабана с этикеткой.
Для того чтобы этикетки подавались непрерывно и с одинаковой скоростью, необходи-
мо обеспечить постоянную скорость линейного вращения барабана с этикетками, т.е.
ϑ = ϑ1 = const.
Поскольку необходимо обеспечить прохождение расстояния, равного ширине этикетки, то:
2πR 360
α
=
2πR1 360
α1
,
R R1
= α1 . α
Таким образом, зная начальные и промежуточные значения R, R1 и α, α1, можно рассчитать необходимую частоту вращения. Однако в реальных условиях введение дополнительных
датчиков для измерения этих параметров усложнит систему, в то же время
R R1
=
f1 f
=
Т1 Т
,
f1
=
Т1 Т
f
.
Таким образом, зная T, Т1 и f, можно определить текущее значение частоты вращения двигателя, обеспечивающее постоянную линейную скорость вращения.
Схема устройства управления шаговым двигателем для автоматизированной системы
нанесения этикеток на подвижный объект содержит контроллер двигателя, микроконтроллер,
устройство индикации, переключатель режима, кнопки, источник питания, датчики [см. лит.].
Оптический датчик 1 (D1) сигнализирует о необходимости включения подачи этикетки,
как только объект попадает в зону его действия. Индуктивный датчик 2 (D2) сигнализирует о
необходимости остановки подачи этикетки, что позволяет контролировать положение эти-
кетки, а также время прохождения. Микроконтроллер получает и обрабатывает команды от
датчиков D1 и D2, устанавливает значение частоты вращения двигателя с помощью кнопок и
отображает ее на цифровом индикаторе, переключает режимы работы (автоматический или
ручной), подает команду управления на контроллер двигателя. Контроллер управляет работой
шагового двигателя, перемещающего ленту с этикетками.
Принципиальная электрическая схема представлена на рис. 2.
В качестве D1 используется реагирующий на рассеянное отражение от предмета датчик
объекта ВБО-М18-76У-5111-СА; в качестве D2 — датчик этикетки ВБИ-М08-45У-1121.
Для вращения барабана с этикетками выбран шаговый двигатель FL86STH80-4208А с
контроллером SMCD 4503. Управляющий микроконтроллер реализован на базе ATmega32.
Цифровой пятиразрядный светодиодный индикатор находится на лицевой панели блока
управления и отражает скорость. Он состоит из двух трехразрядных цифровых индикаторов
BA56-12SRWA, установленных последовательно, один разряд которых не используется.
Для разрабатываемой схемы необходим источник питания, обеспечивающий стабиль-
ную работу и удовлетворяющий предъявляемым требованиям по напряжению и току.
Шаговый двигатель управляется контроллером SMCD 4503, которому для нормальной
работы необходимо постоянное напряжение 12—42 В при токе 7 А. Для работы управляюще-
го контроллера (имеющего собственный стабилизатор напряжения по уровню 5 В) и датчиков
(с напряжением питания 10—30 В) необходимо обеспечить ток не более 0,5 А. Охлаждение
блоков, находящихся в корпусе, осуществляется с помощью двух вентиляторов, суммарно
потребляющих менее 0,5 А. Исходя из вышеизложенного источник питания должен удовле-
творять следующим требованиям: Uпит= –24 В, Imax = 8 А. Такие значения обеспечивает импульсный источник питания PPS-200-24.
В предложенной схеме датчики D1 и D2 подключаются к входам прерывания микро-
контроллера INT0 и INT1. Таким образом, время между возникновением прерываний соот-
ветствует времени прохождения одной этикетки от D1 до D2.
Кварцевый генератор, задающий частоту работы микроконтроллера (16 МГц), подклю-
чается к линиям XTAL1 и XTAL2. Питание подключается к входам VCC и GND.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
Схема управления шаговым двигателем для нанесения этикетки на подвижный объект 45
8 11 10 7 6
95 4 3 2
12 1 8 11
10 7 6 95 4 3 2 12 1
+
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
DD3 V CC DAT A G ND
ВБ О- М 18 -7 6У- 51 11- СА
3 2 1
DD4
V CC DAT A G ND ВБ И- М 08 -4 5У- 11 21
3 2 1
XS2 DAT A G ND
1 2
T OU T
XP3 1 VC C
2 DAT A 3 G ND
X S3 VCC
DAT A GN D
1 2 3
VCC1 DQ 1
XP4 1 VC C
2 DAT A
3 G ND
X S4 VCC
DAT A GN D
1 2 3
VCC1 DQ 2
DQ 1 DQ 2
VCC1
R1 H L1
R2 H L2
X S1 VCC GN D
1 2
DA1
1 IN
O UT 3
+ 5В
G ND
C4
2 КФ 11 58Е Н 5Г
C5
D Q1 D Q2
R3 R4
+5В
4
TO UT
3
D A2 P C817
1 2
R5
VT 1
VT2
V T3
VT 4
VT5
R6 R7 R8 R9 R1 0
Dig 1
D ig2
Dig 3 Di g1
Dig 2
Dig 3
E D DP C G
BFA
E D DP C G
BFA
H G1
HG 2
Рис. 2
P1
+5В +5В
R1 2 R1 3 R1 4 R15 R16 R17 R18
P2
C1 C2 R 11
+
VD1 C3 SC
S0 S1 S2 S3
P1 P2 P3 S0 S1 S2 S3 S4
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6
8 XT A L1 ZQ 1
7 XT A L2
DD 1 CP U
+5В
V CC
5
4 RST
1 1 PD2 IN T 0 1 2 PD3 IN T 1 4 2 P B2 INT 2 4 0 PB0 41 PB1 43 PB3 44 PB4 1 PB5 37 PA0 36 PA1 35 PA2 34 PA3 33 PA4 32 PA5 31 PA6
AT m eg a 32 -1 6 AU
PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5
PC6
1 9 D7 2 0 D8 2 1 D9 2 2 D 10 2 3 D 11 2 4 D 12
25 S C
G ND
6
S4 +5В
D0
SB1
« Уст»
D1
SB2
«+»
D D2
1
D2
SB3
«– »
D 3 SB4 « На л ад ка »
D4
SA1 «Р учн »
GD 400 2B DM
D5
D 6 « Авто »
P3
D7 D8 D9 D 10 D 11 D 12
46 В. С. Панищев, О. Б. Славкова
Начальная установка частоты вращения двигателя, а также установка частоты в ручном режиме работы выполняется с помощью кнопок „Уст“, „+“, „–“, „Наладка“. Выходы кнопок подключены к входам порта С, а также ко входам логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен со входом прерывания INT2. Численные значения частоты вращения двигателя выводятся на линии порта А и отображаются на семисегментных индикаторах. Выбор разряда индикатора выполняется с помощью линий порта В. Линия РС6 является управляющей для контроллера двигателя, импульсный сигнал, задающий частоту вращения, подается на эту линию.
При нажатии на любую кнопку на входе INT2 появляется логический „0“, и микроконтроллер вызывает процедуру обработки прерывания. Идентификация нажатой кнопки выполняется по значению „1“ на входах порта С, причем при обнаружении первой „1“ проверка остальных входов порта не выполняется. Таким образом, обнаружение и обработка нажатий кнопок выполняются в следующем порядке: „Уст“, „+“, „–“, „Наладка“, „Ручн“ и „Авто“ [см. лит.].
В результате испытаний предлагаемой системы управления были выявлены погрешности регулировки скорости вращения барабана с этикетками, вызванные нестабильностью работы механических частей системы и связанными с этим скачками показаний датчиков. Проблема была решена за счет введения ограничений на максимальные скачки (максимально допустимая частота — 20 000 Гц), а также на единичный выброс, т.е. возможно однократно изменить частоту вращения шагового двигателя не более чем на +5 % и на –50 % от предыдущего значения.
Предложенная схема управления шаговым двигателем для автоматизированной системы нанесения этикетки на подвижный объект позволила повысить скорость и увеличить точность нанесения самоклеящихся этикеток на подвижный объект, а также обеспечить режим работы системы управления.
ЛИТЕРАТУРА
Панищев В. С., Решетникова В. П., Чернецкая И. Е. Блок управления автоматизированной системой нанесения этикеток на подвижный объект // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 9. С. 58—62.
Владимир Славиевич Панищев Оксана Борисовна Славкова
Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный универси-
тет, кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: gskunk@rambler.ru — аспирант; Юго-Западный государственный университет, кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: oksana_slavkova@mail.ru
Рекомендована Юго-Западным государственным университетом
Поступила в редакцию 24.10.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
УДК 681.5
В. С. ПАНИЩЕВ, О. Б. СЛАВКОВА
СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАНЕСЕНИЯ ЭТИКЕТКИ
НА ПОДВИЖНЫЙ ОБЪЕКТ
Предложена схема управления шаговым двигателем для автоматизированной системы, предназначенной для переноса самоклеящейся этикетки с ленты (подложки) на подвижный объект.
Ключевые слова: микроконтроллер, автоматизированная система управления, самоклеящаяся этикетка.
В организации обслуживания технологического процесса важную роль играют локаль-
ные системы, предназначенные для контроля и управления отдельными, не связанными меж-
ду собой объектами, и в иерархической системе управления образующие нижний уровень
(например, автоматизированная система управления автомата для нанесения самоклеящихся
этикеток — марок, ценников и т.п. — на подвижный объект). Применение таких систем
актуально для пищевой, косметической, фармацевтической промышленности.
В настоящей статье рассмотрена схема управления шаговым двигателем для автомати-
зированной системы нанесения этикетки на подвижный объект. В системе используются оп-
тический датчик с регулируемой чувствительностью, определяющий наличие объекта в зоне
действия, и индуктивный датчик, контролирующий положение этикетки.
Для согласования скорости движения объекта и этикетки в системе применен кон-
троллер. Перед началом работы необходимо записать в память контроллера данные об опти-
мальном времени прохождения этикетки для определения скорости движения ленты, так как
с увеличением диаметра наматываемого рулона (подложки) увеличивается угловая скорость,
а следовательно, и линейная. Скорость корректируется благодаря сравнению с зафиксиро-
ванным в памяти оптимальным временем прохождения этикетки, что приводит к стабильной
и бесперебойной работе автомата в целом [см. лит.].
Для реализации автоматического режима управления необходимо на основе показаний
датчика выполнять сравнение времени цикла с эталонным (заданным). Началом отсчета вре-
мени цикла является команда включения подачи этикетки датчика, окончанием — сигнал
остановки, поступающий с датчика. Поскольку в
T
процессе работы радиус барабана с этикетками уменьшается, необходимо изменять скорость его
l
T1 l1
вращения для согласования со скоростью движения объекта, т.е. необходимо рассчитать изменение частоты или текущее значение частоты следования
αR
α1 R1
импульсов для шагового двигателя.
Рассмотрим продольное сечение барабана с
самоклеящейся этикеткой (рис. 1), где f и f1 — начальное и текущее значение частоты вращения
f
f1 Рис. 1
шагового двигателя; T и Т1 — начальное и текущее время одного цикла; R, α и R1, α1 — на-
чальные и текущие значения радиуса и угла для барабана с самоклеящейся этикеткой;
l=l1=const — размер этикетки:
l = ϑT , l1 = ϑ1T1 ,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
44 В. С. Панищев, О. Б. Славкова
ϑ, ϑ1 — начальная и текущая линейная скорость вращения барабана с этикеткой.
Для того чтобы этикетки подавались непрерывно и с одинаковой скоростью, необходи-
мо обеспечить постоянную скорость линейного вращения барабана с этикетками, т.е.
ϑ = ϑ1 = const.
Поскольку необходимо обеспечить прохождение расстояния, равного ширине этикетки, то:
2πR 360
α
=
2πR1 360
α1
,
R R1
= α1 . α
Таким образом, зная начальные и промежуточные значения R, R1 и α, α1, можно рассчитать необходимую частоту вращения. Однако в реальных условиях введение дополнительных
датчиков для измерения этих параметров усложнит систему, в то же время
R R1
=
f1 f
=
Т1 Т
,
f1
=
Т1 Т
f
.
Таким образом, зная T, Т1 и f, можно определить текущее значение частоты вращения двигателя, обеспечивающее постоянную линейную скорость вращения.
Схема устройства управления шаговым двигателем для автоматизированной системы
нанесения этикеток на подвижный объект содержит контроллер двигателя, микроконтроллер,
устройство индикации, переключатель режима, кнопки, источник питания, датчики [см. лит.].
Оптический датчик 1 (D1) сигнализирует о необходимости включения подачи этикетки,
как только объект попадает в зону его действия. Индуктивный датчик 2 (D2) сигнализирует о
необходимости остановки подачи этикетки, что позволяет контролировать положение эти-
кетки, а также время прохождения. Микроконтроллер получает и обрабатывает команды от
датчиков D1 и D2, устанавливает значение частоты вращения двигателя с помощью кнопок и
отображает ее на цифровом индикаторе, переключает режимы работы (автоматический или
ручной), подает команду управления на контроллер двигателя. Контроллер управляет работой
шагового двигателя, перемещающего ленту с этикетками.
Принципиальная электрическая схема представлена на рис. 2.
В качестве D1 используется реагирующий на рассеянное отражение от предмета датчик
объекта ВБО-М18-76У-5111-СА; в качестве D2 — датчик этикетки ВБИ-М08-45У-1121.
Для вращения барабана с этикетками выбран шаговый двигатель FL86STH80-4208А с
контроллером SMCD 4503. Управляющий микроконтроллер реализован на базе ATmega32.
Цифровой пятиразрядный светодиодный индикатор находится на лицевой панели блока
управления и отражает скорость. Он состоит из двух трехразрядных цифровых индикаторов
BA56-12SRWA, установленных последовательно, один разряд которых не используется.
Для разрабатываемой схемы необходим источник питания, обеспечивающий стабиль-
ную работу и удовлетворяющий предъявляемым требованиям по напряжению и току.
Шаговый двигатель управляется контроллером SMCD 4503, которому для нормальной
работы необходимо постоянное напряжение 12—42 В при токе 7 А. Для работы управляюще-
го контроллера (имеющего собственный стабилизатор напряжения по уровню 5 В) и датчиков
(с напряжением питания 10—30 В) необходимо обеспечить ток не более 0,5 А. Охлаждение
блоков, находящихся в корпусе, осуществляется с помощью двух вентиляторов, суммарно
потребляющих менее 0,5 А. Исходя из вышеизложенного источник питания должен удовле-
творять следующим требованиям: Uпит= –24 В, Imax = 8 А. Такие значения обеспечивает импульсный источник питания PPS-200-24.
В предложенной схеме датчики D1 и D2 подключаются к входам прерывания микро-
контроллера INT0 и INT1. Таким образом, время между возникновением прерываний соот-
ветствует времени прохождения одной этикетки от D1 до D2.
Кварцевый генератор, задающий частоту работы микроконтроллера (16 МГц), подклю-
чается к линиям XTAL1 и XTAL2. Питание подключается к входам VCC и GND.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
Схема управления шаговым двигателем для нанесения этикетки на подвижный объект 45
8 11 10 7 6
95 4 3 2
12 1 8 11
10 7 6 95 4 3 2 12 1
+
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2
DD3 V CC DAT A G ND
ВБ О- М 18 -7 6У- 51 11- СА
3 2 1
DD4
V CC DAT A G ND ВБ И- М 08 -4 5У- 11 21
3 2 1
XS2 DAT A G ND
1 2
T OU T
XP3 1 VC C
2 DAT A 3 G ND
X S3 VCC
DAT A GN D
1 2 3
VCC1 DQ 1
XP4 1 VC C
2 DAT A
3 G ND
X S4 VCC
DAT A GN D
1 2 3
VCC1 DQ 2
DQ 1 DQ 2
VCC1
R1 H L1
R2 H L2
X S1 VCC GN D
1 2
DA1
1 IN
O UT 3
+ 5В
G ND
C4
2 КФ 11 58Е Н 5Г
C5
D Q1 D Q2
R3 R4
+5В
4
TO UT
3
D A2 P C817
1 2
R5
VT 1
VT2
V T3
VT 4
VT5
R6 R7 R8 R9 R1 0
Dig 1
D ig2
Dig 3 Di g1
Dig 2
Dig 3
E D DP C G
BFA
E D DP C G
BFA
H G1
HG 2
Рис. 2
P1
+5В +5В
R1 2 R1 3 R1 4 R15 R16 R17 R18
P2
C1 C2 R 11
+
VD1 C3 SC
S0 S1 S2 S3
P1 P2 P3 S0 S1 S2 S3 S4
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6
8 XT A L1 ZQ 1
7 XT A L2
DD 1 CP U
+5В
V CC
5
4 RST
1 1 PD2 IN T 0 1 2 PD3 IN T 1 4 2 P B2 INT 2 4 0 PB0 41 PB1 43 PB3 44 PB4 1 PB5 37 PA0 36 PA1 35 PA2 34 PA3 33 PA4 32 PA5 31 PA6
AT m eg a 32 -1 6 AU
PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5
PC6
1 9 D7 2 0 D8 2 1 D9 2 2 D 10 2 3 D 11 2 4 D 12
25 S C
G ND
6
S4 +5В
D0
SB1
« Уст»
D1
SB2
«+»
D D2
1
D2
SB3
«– »
D 3 SB4 « На л ад ка »
D4
SA1 «Р учн »
GD 400 2B DM
D5
D 6 « Авто »
P3
D7 D8 D9 D 10 D 11 D 12
46 В. С. Панищев, О. Б. Славкова
Начальная установка частоты вращения двигателя, а также установка частоты в ручном режиме работы выполняется с помощью кнопок „Уст“, „+“, „–“, „Наладка“. Выходы кнопок подключены к входам порта С, а также ко входам логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого соединен со входом прерывания INT2. Численные значения частоты вращения двигателя выводятся на линии порта А и отображаются на семисегментных индикаторах. Выбор разряда индикатора выполняется с помощью линий порта В. Линия РС6 является управляющей для контроллера двигателя, импульсный сигнал, задающий частоту вращения, подается на эту линию.
При нажатии на любую кнопку на входе INT2 появляется логический „0“, и микроконтроллер вызывает процедуру обработки прерывания. Идентификация нажатой кнопки выполняется по значению „1“ на входах порта С, причем при обнаружении первой „1“ проверка остальных входов порта не выполняется. Таким образом, обнаружение и обработка нажатий кнопок выполняются в следующем порядке: „Уст“, „+“, „–“, „Наладка“, „Ручн“ и „Авто“ [см. лит.].
В результате испытаний предлагаемой системы управления были выявлены погрешности регулировки скорости вращения барабана с этикетками, вызванные нестабильностью работы механических частей системы и связанными с этим скачками показаний датчиков. Проблема была решена за счет введения ограничений на максимальные скачки (максимально допустимая частота — 20 000 Гц), а также на единичный выброс, т.е. возможно однократно изменить частоту вращения шагового двигателя не более чем на +5 % и на –50 % от предыдущего значения.
Предложенная схема управления шаговым двигателем для автоматизированной системы нанесения этикетки на подвижный объект позволила повысить скорость и увеличить точность нанесения самоклеящихся этикеток на подвижный объект, а также обеспечить режим работы системы управления.
ЛИТЕРАТУРА
Панищев В. С., Решетникова В. П., Чернецкая И. Е. Блок управления автоматизированной системой нанесения этикеток на подвижный объект // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 9. С. 58—62.
Владимир Славиевич Панищев Оксана Борисовна Славкова
Сведения об авторах — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный универси-
тет, кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: gskunk@rambler.ru — аспирант; Юго-Западный государственный университет, кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: oksana_slavkova@mail.ru
Рекомендована Юго-Западным государственным университетом
Поступила в редакцию 24.10.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 2