（检测技术与自动化装置专业论文）带材纠偏控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着国民经济的飞速增长和人民生活水平的不断提高，对于象带材，管 材等的制造和加工有着很大的市场需求，为了使带材的生产、加工达到一定 的质量标准，就要不可避免的用到纠偏系统。由于生产过程的时滞性和非线 性，要建立系统精确的数学模型有一定的困难，通过研究，本文运用模糊控 制的算法为带材纠偏控制系统设计了一种模糊控制方法。 本文首先分析了导致带材在运送和卷取时跑偏的原因和国内外常用的 纠偏措施，论证了带材纠偏的可行性以及纠偏方法，接着提出了一种高精度 的c c d 光电检测方案，利用d s p 对测得的跑偏量进行处理，并驱动步进电机 来执行纠偏控制。 通过对控制理论的分析，结合传统的p i d 控制原理以及模糊控制原理设 计出一种模糊参数自整定p i d 的控制方法，并在s i m u l i n k 环境下进行仿真， 根据仿真结果曲线，分析纠偏系统的性能。并在实验室内建造了带材纠偏模 型，通过实验，对控制策略的仿真结果做出了一定的验证。结果表明本控制 策略具有一定的实际意义，系统对参数和负载变化有较强的适应性，保持了 良好的纠偏控制性能。 关键词：带材纠偏；c c d ；p i d ；模糊控制 武汉工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h en a t i o n a le c o n o m yf l i e st os o o ni n c r e a s ea n dp e o p l ec o n t i n u o u s l y r a i s eo ft h el i v i n gl e v e l ，t a k eam a t e r i a lt ot h ee l e p h a n t ，t a k ec a r eo fa m a t e r i a le t c o fm a n u f a c t u r i n g 谢t hp r o c e s st oh a v eav e r yb i gm a r k e tn e e d ， f o rm a k ep r o d u c t i o no ft a k et h em a t e r i a l ，p r o c e s st oa t t a i nc e r t a i nq u a l i t y s t a n d a r d ，w i l lb ei n e l u c t a b l et ou s et oc o r r e c tt ob ep a r t i a lt os y s t e m b e c a u s e p r o d u c t i o nl i n eo f h o u rz h iw i t hn o tl i n e ，b u i l du ps y s t e mp r e c i s i o no ft h e m a t h e m a t i c sm o d e lh a v eac e r t a i nd i f f i c u l t y ，p a s sar e s e a r c h ，t h i st e x tm a k e s u s eo ft h ec a l c u l a t ew a yo fm i s t yc o n t r o li no r d e rt ot a k eam a t e r i a lt oc o r r e c t t ob ep a r t i a lt oc o n t r o ls y s t e mt od e s i g nm i s t yc o n t r o l l e r ，p a s se x p e r i m e n t ， e n u n c i a t i o no r i g i n a l l yt h es y s t e mh a v eg o o dc o n t r o le f f e c t t h i st e x ta n a l y z e dt oc a u s et ot a k eam a t e r i a lf i r s ta tt h ec a r r y i n ga n d b o o kt a k er u nt ob ep a r t i a lt oo fr e a s o na n di nc o m m o nu s e l yc o r r e c tt ob e p a r t i a lt om e a s u r e a th o m ea n da b r o a d ，a r g u m e n tt a k eam a t e r i a lt oc o r r e c t t h ep o s s i b i l i t yf o rb ep a r t i a lt oa n dc o r r e c tas p e c i a lp r e s c r i p t i o nm e t h o d ， i m m e d i a t e l ya f t e re x p l a i n e dt oc o r r e c tp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo f b e p a r t i a lt ot h ec o n t r o ls y s t e m e n do r i g i n a l l yt h et e x tp u tf o r w a r dt h ec c d l i g h to f ak i n do fh ig ha c c u r a c ya ne l e c t r i c i t ya ne x a m i n a t i o na ne x a m i n a t i o n o fp r o je c tt oo b t a i nt or u nt ob ep a r t i a lt oq u a n t i t y ，m a k eu s eo fd s pt o h a n d l ea n dd r i v ea s t e pt oc o m ei n t ot h ee l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt oc a r r yo u t t o c o r r e c tt ob ep a r t i a lt oac o n t r 0 1 p a s st h e o r e t i c a lt ot h ec o n t r o lo fa n a l y s i s ，c o m b i n et r a d i t i o n a lp i da c o n t r o lp r i n c i p l ea n dm i s t yc o n t r o lt h ep r i n c i p l ed e s i g nak i n do fm i s t y p a r a m e t e rf r o mw h o l es e r l ep i dc o n t r o lm e t h o d , a n db eu n d e rt h es i m u l i n k e n v i r o n m e n tc a r r yo ni m i t a t er e a l l y ，a c c o r d i n gt oi m i t a t et r u er e s u l tc u r v e ， a n a l y z et oc o r r e c ta ni m p r o v e m e n ta n de x a l t a t i o no f b ep a r t i a lt ot h es y s t e m a b s t r a c t i t sf u n c t i o n t h i st e x ti st e s ti n d o o rc o n s t r u c t e dt ot a k eam a t e r i a lt oc o r r e c t t ob ep a r t i a lt om o d e l ，p a s st oa g a i na n da g a i nt e s t ，t h er e s u l te n u n c i a t i o n o r i g i n a l l yc o r r e c t e dt ob ep a r t i a lt os y s t e ms u p e ra d j u s ts m a l l ，g e ti n t oa s t e a d y s t a t e q u i c k l y a n dc o n t r o l a c c u r a c yg a o ，h a v es t r o n g e r n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y t h es y s t e m c a n n e da d a p t v a r i e t yo fc i r c u l a t e t h e c o n d i t i o nv e r yq u i c k l y ，h a v es t r o n g e ra d a p t a b i l i t yt ot h ep a r a m e t e ra n dt h e l o a dv a r i e t ya n dk e p tt og o o d l yc o r r e c tt ob e p a r t i a lt oc o n t r o lf u n c t i o n k e yw o r d s ： c o r r e c tp a r t i a l ；c c d ；p i d ；f u z z yc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：习舻和 炒7 年月7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密衫，在 二年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：剀仰 砷年月7 口 艚撕签名：谶纤 司年石月7 日 第1 章概论 第1 章概论 1 。1 带材纠偏系统的研究背景 在带材生产线上，带材的跑偏是不可避免的，带材纠偏控制系统是 带材生产线上必不可少的重要控制系统【1 】。在带材连续生产设备和带材 处理设备中，使带材能无故障的运送，卷取时边缘整齐，使得带材在包 装、运输和码放时很方便，还减少了带材在此过程中由于边缘不齐而引 起的损伤，有利于较好地完成技术指标，提高经济效益，降低成本。 目前国内外带材纠偏系统应用的领域有钢铁行业；轻金属行业；铜 工业；印刷和装订行业；塑料和电影行业；橡胶化学行业；造纸业；纤 维和纺织业等。合适的纠偏控制系统【2 】，运动中的带材侧向位置控制， 是今天许多生产制造过程中的基本要求。虽然纠偏控制系统只是代表了 生产线成本的很小一部分，但是它们对生产线的总的成本和最终产品的 质量有着重大的影响，显著的降低废品率，提高产品质量，加快整个机 组生产过程的生产率和速度是采用纠偏控制系统可达到的直接效果，而 这些效果进一步提高了利润。 为了高效的利用纠偏控制系统，需要选择最有效的应用方案和工艺 技术。这里有许多必须考虑的因素：精度要求；安装在生产线上的合适 位置上，便于操作；是否适用于生产线上的材料尺寸和宽度；系统能够 否适应环境。 目前，国际上知名的供应商有北美( n o r t ha m e r i c a n ) 公司，日本 n i r e c 0 公司，德国e m g 公司等。它们供应了一系列产品和系统，更成 为解决客户特殊问题的提供者，为客户提供了生产优化方案，并在工程 武汉工程大学硕上学位论文 设计时着眼于成本效益、质量和可靠性3 】 4 1 。 如今，国内外许多供应商为争取客户、占领市场，将工程创造能力 和实际应用技术相结合，致力于带材纠偏系统新方法的研究。这种创新 精神也为一系列新产品的研发提供了源动力。包括电容检测器，线路跟 随器，转向辊上反馈装置的开发，补偿系统中的多项改进及更加智能化 的操作接口等，使得带材纠偏系统在满足客户不断提出的新要求的同 时，自身性能得到全面提高。随着纠偏系统的发展，其己具备如下特点： 预先控制；无故障，易维护：高精度；高稳定性；高速、重载；整体性。 正是因为纠偏系统自身这些特点和优势，带材纠偏系统必将在未来更加 广阔的领域中发挥出更大的作用。 仔细分析国内外带材纠偏系统的技术现状，可以了解到关键技术都 被德国e m g 公司，美国北美公司所垄断。国外产品的纠偏精度般在 1 n u n 内。检测精度可达士o 1 m m ，因此国内一般从外国进口纠偏控制系 统，其价格约为3 以万元，而且有些产品也存在着维护不便，浪费了大 量的资源。 纠偏控制系统最初是从西方工业化国家发展起来的。进入七十年代 后，我国开始研制了一些纠偏装置，它们大都是模拟控制系统。在各中 小型生产线上使用的纠偏控制系统有如下两种情况：购买进口成套系统 或自主开发系统。目前，虽然我国也自主研发了不少纠偏控制系统，也 取得了一定的成果，但是就国内目前纠偏控制系统而言，还存在着不少 问题： 1 系统大多以单片机为核心，通过光电检测设备进行纠偏，但其控制 精度较低，一般大于2 m m ； 2 系统外观粗糙，不直观，操作不方便，出现机械故障后很难处理， 第1 章概论 不适应现代化生产的要求； 3 系统稳定性差，抗干扰能力低，容易失去对系统的控制； 4 智能化程度较低，纠偏速度慢，影响工作效率，硬件配置低，升级 代价高； 因此，国内市场迫切需要套性价比高的纠偏产品【5 1 。 1 2 研究目标和意义 综上所述，为了满足需要，本文提出了一种纠偏控制系统。本课题 的研究目标如下： 1 检测精度高，纠偏速度快并具有良好稳定性；具有较高的检测精度， 最高检测精度最高可达0 1 m m ； 2 适应现场情况的变化；最高纠偏灵敏度可达士o 2 m m ； 3 能对纸张、薄膜、不干胶带、铝箔等物料进行纠偏，以保证卷绕、 分切的整齐。可用于轻工、纺织、印染、e p 届, j 等行业。本纠偏系统的通 用性强，能满足中小企业的需求。 4 价格为同类国外产品的三分之一左右，性价比高，可为国家减少大 量外汇。 对于控制系统的要求是：纠偏速度要大于或等于带材跑偏的速度， 在受到干扰和控制对象参数变化时，系统必须保持稳定、可靠、安全的 运行，使工作人员便于了解现场的情况。 1 3 本文的主要内容 本文的主要内容是应用模糊控制理论设计模糊控制算法 6 1 ，并与常规 武汉工程大学硕士学位论文 p i d 控制方法相结合，提出了一种模糊自整定p i d 的控制方法，在仿真 的基础上，研究纠偏控制系统，并进一步提高纠偏系统的响应速度，提 出合理化建议，以达到改善系统的特性、提高精度的作用，具体如下： ( 1 ) 分析带材跑偏的原因，掌握现阶段为降低跑偏量及提高纠偏精度而 采取的措施； ( 2 ) 控制策略一模糊自整定p i d 控制算法的研究。考虑系统的非线性特 点，并确保系统在参数变化、外负载干扰等复杂情况下仍具有较好的控 制性能与控制精度，设计了模糊自整定p i d 数字控制器，利用模糊控制， 在线的对p i d 的三个参数进行调整【7 】； ( 3 ) 运用m a t l a b 软件进行系统的仿真，在s i m u l i n k 下建立仿真模型，不 断修正控制器直至达到纠偏系统所要求的动静态性能指标； ( 4 ) 包括光电检测电路的设计，d s p 控制器硬件电路的设计，由步进电 机驱动的纠偏机械部分的设计。并在实验室搭建试验系统，验证本系统 的可行性。 第2 章带材纠偏系统总体方案的设计 第2 章带材纠偏系统总体方案的设计 2 。1 带材纠偏原理 带材纠偏的原理如图2 - 1 所示。在带卷的边缘安置传感器，带卷能 够在传动装置的作用下水平移动。在带材卷取时，首先由传感器在带材 边缘检测出带材偏离中心线的大小( 即跑偏量的大小) ，计算出带材的 当前边缘的位置，并与工艺要求的零偏位置进行比较，从而判断出带材 是否跑偏。 如果带材的偏移量在允许的偏差范围内，则不进行纠偏；如果带材 的偏移量超过了允许的偏差范围，与给定的允许偏移量相比较，如偏移 量超过允许偏移值，则由控制器反馈一个适当的偏移控制信号，去驱动 电机、液压或气动装置调整带卷的平移大小，在本图中是采用电机驱动 的传动装置去使带卷恢复到工艺要求的零偏位置，达到纠偏的效果。 带卷 图2 1纠偏原理图 武汉工程大学硕 ：学位论文 2 1 1 带材跑偏的因素 一般带材的生产线的长度 在1 0 0 米以上，在生产线上布 置有许多对带材进行处理的 放卷 电气及机械设备，生产结束 后，对产品进行打卷包装。带 材生产过程简图如下图2 2 所 过渡 不。 跑偏是指诸如纸张、塑料 过渡 带材 l e e 第2 章带材纠偏系统总体方案的设计 它有一定的难度，而通过机器本身来保证跑偏在所要求的范围内也比较 困难。虽然现在有根据张力差由机械本身来对带材跑偏进行纠正有一定 的效果，但是现代生产线的高速运行，势必使机械纠偏达不到允许的偏 差范围内。因此通常利用外加一套纠偏系统来实现跑偏的自动纠正【l0 1 。 随着人们对产品的要求越来越高，如果跑偏不加以纠正，就会影响 产品的质量，对进一步的精密加工造成障碍，同时还会增加能源与原材 料的消耗。 2 1 2 控制带材跑偏的措施 为了满足不同的工艺需要和生产条件，在带材生产过程中，为了控 制带材的跑偏，大致有两种纠偏措施，一种是在放卷和收卷时，通过调 节，使卷带横向移动以保持带材边缘整齐，另一种是通过中间的导辊或 夹送辊的中心线来实现的，先分别介绍如下。 1 放卷( 收卷) 纠偏 在放卷过程中，为了使带材能准确地送入机组中心线，就需要放卷 纠偏装置，因为来料带卷可能不整齐，有错层或塔层，或者在收卷过程 中，带卷没有对准机组中心线，出现上述任何一种情况都需要进行纠偏。 由电机或机械带动带卷平移，确使带材中心线与机组中心线保持一致。 开卷纠偏一般有两种形式：一种是对中系统简称c p c ( c e n t e r p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) ，其系统原理图参见图2 1 。此系统的功用是使带材自 动对中纠偏，保持钢带中心位置基本不变，满足连续对中要求。带材 边缘的整齐否则影响产品质量和外观。需要以带材边缘一纵线为基准进 行边缘纠偏检测控错i j e p c ( e d g e p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) 【1 。一般由于带材的 中心位置的偏移量难以测量，因而选取带材的边缘位置作为控制信号的 武汉工程大学硕 = 学位论文 基准。此系统原理图也可参见图2 1 。 2 中间位置纠偏 如下图2 3 所示，通过对带材经过的导辊进行调节，来满足纠偏的需 要。辊子以一端为支点，另一端用液压缸调节辊子的角度。当带材跑偏 时，可借助于液压缸调解辊子额角度，从而使带材在辊子上作侧向移动， 直到带材中心线与辊轴线呈垂直，从而达到纠偏的目的。 2 2 检测方案 2 2 1 光电检测技术 图2 - 3中间纠偏措施 光电检测技术在包装机械中多用于计数、容器定位、料面控制和色 质检测等方面 1 2 】【1 3 】。其特点是可以实现无接触检测，可将机械动态检测 变成光电静态检测，从而显著的简化机械结构。所以，光电检测技术在 各类包装机械中应用十分广泛。光电传感器是采用光电元件作为检测元 件 1 4 】【1 5 】，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进 一步将光信号转换成电信号，光电传感器一般由光源、光学通路和光电 第2 章带材纠偏系统总体方案的设计 元件三部分组成。光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点， 因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用 1 6 】。 用光电传感器来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方 向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。具有检测精度高，安装方便等 优点。综合以上考虑，本系统采用光电传感器作为检测主体。 2 2 2 光电检测方案 随着科学技术的发展和工业自动化程度的提高，高精度、高效率、 非接触在线检测已成为检测行业的发展方向。它可以大大地解放劳动生 产力，达到提高生产效率和产品质量的目的，并降低生产成本。根据所 采用光电传感器的不同，有以下几种方案。 方案1 ：由红外传感器和步迸电机组成的圆周检测方案。如下图2 4 所示： 一一- 一 一一一一一一一 b j 7 一：，曼一一 a 图2 - 4圆周检测法 利用步进电机带动在带材上下两面的红外传感器作圆周运动，进行 不问断的扫描，此方案应用了单片机的中断和计时功能。点a 为定点， o 为圆心，b ，c 为带材无偏差时的接触点。 武汉工程人学硕士学位论文 由于红外传感器进入带材边缘时和退出带材边缘时可以产生中断 信号，传送给单片机内的计数器，从而可以测得时间。若有带材有偏差， 则表明两点位置不符，如d ，e 两点。由此所得到的时间与无偏时不同， 这样就可以计算出偏转角度，经过单位换算后，转换成电信号来驱动执 行机构来纠正偏差。 方案2 ：如下图2 5 所示。利用线阵c c d t l 8 】作为检测元件的光电检测 系统对带材边缘摄像，包括光源和线阵c c d 摄像头组成的偏差检测系 统。在日光灯照射下，将带材的边缘成像在线阵c c d 摄像头中，当带材 的边缘有变换时，则新成的像相对于原来像的边缘有变化。 此时，线阵c c d 通过驱动电路得到视频信号，经一系列的转化，将 偏差的视频脉冲信号转化为跑偏的信号传输给控制器。最后再由控制器 与上次得到带材的零偏位置作比较则可以获得偏差量 1 7 】的大小。此方案 结构简单，受干扰程度轻，控制精度高。 日光灯 图2 5c c d 图像检测 带材对中时t 1 一t 2 = 0 ；带材左偏时t 1 一t 2 0 ； 第2 章带材纠偏系统总体方案的设计 如上所示：可由脉冲的宽度进行比较可得出偏差的大小。 方案3 ：可在与带材垂直的方向做两排光电传感器对其位置偏差进 行检测，考虑到检测存在的不稳定性，此方案有待完善。 2 2 3c c d 光电检测原理 就国内目前所使用的带材纠偏系统，大多都采用光敏二极管、硅电 池作为检测传感器。特别是随着工艺设备的改进、机组速度的提高，带 材加工的趋向又薄又宽。使得这种检测方法很难满足要求，存在着纠偏 精度较低、维护量较大等方面的问题。为解决这一问题，我们提出了基 于双线阵c c d 的数字测量方案，使带材自动对边纠偏，保持带材对边位 置基本不变，满足连续对边要求。 电荷藕合器件，简称为c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 1 8 】【1 9 】 2 0 1 ，是7 0 年代初开始发展起来的新型半导体器件。它是受磁泡存储器的启发，作 为m o s 技术的延伸而产生的一种半导体器件。c c d 是用处于非热平衡 状态的势阱来进行电荷存储和转移的。 将本测量方案与以上几个方案进行对比，决定采用线阵c c d 光电检 测的方案，由此并开发出了基于d s p 单片机和c p l d 器件的硬件测量电 路。该系统采用由高频日光灯作为背景光源的照明方案，利用了高速线 阵c c d 光电检测技术，同时在由高性能的步进电机所驱动机械装置系统 的配合下，可实现实时检y , r j 坌q 偏控制。本系统测量原理如下： 经分析，为了提高系统的测量精度及照明光源的有效利用率，我们 采用c c d 的测量方案，即在被测带材边缘的垂直方向，安置一套测量系 统。该系统由背景光源一高频日光灯、线阵c c d 摄像头及其驱动器、t 数 据采集和后续处理电路等组成。以被测带材的一个边缘为例，参见图2 5 。 武汉工程大学硕上学位论文 高频日光灯作为背景光源，自下往上照射在带材背部，线阵c c d 经 过调整，使其中心与带材边缘和日光灯中点处于同一条垂直直线上。这 样带材的边缘成像在线阵c c d 光敏面上，c c d 上亮区与暗区的分界对应 于带材的边缘，经采集进入后续处理电路。由几何光学可知：求得物平 面内的亮带在c c d 光敏面上所点亮的光敏元数目后，通过下式计算即可 求得带材的边缘位置： y = l o y l ( 1 ) 即： y = z d 妒( 2 ) 式中：y 为物平面内带材的长度( m m ) ；y 为带材在c c d 光敏面上所成的 像的长度( m 瑚) ；z 为c c d 成像系统的物距( i n m ) ；z 。为c c d 成像系统的像 距( m m ) ；d 茭j c c d 相邻光敏元的中心距( l m ) ；疗为c c d 光敏面上被点亮 的光敏元数目，可由后续处理电路中的脉冲计数模块求得。 。哇， 图2 6c c d 钡j j 晕原理图 如图2 6 所示，事先确定带材的中心位置或两个边缘的初始位置在线 第2 章带材纠偏系统总体方案的设计 阵c c d 上的对应位置，便可测量出带材两个边缘的位置及其位置变化， 进而确定出带材中心位置及其变化量。显然，该系统可以同时测量带材 的宽度。这样，根据检测到的带材边缘位置的变化来调整纠偏控制系统， 从而实现对带材的纠偏。 2 3 纠偏系统的总体构成 本纠偏控制系统主要由控制系统，纠偏执行机构，检测机构组成， 其中检测单元由光电传感器及照明设备组成，其功能是连续地测量板带 边缘的位置变化，并将位移的偏差转换为电信号，经过放大后输送到控制 系统中，控制系统对信号进行分析处理。 本系统采用d s p 2 4 0 7 芯片作为控制器，并应用模糊p i d 控制算法， 控制纠偏驱动机构完成带材的对边纠偏；驱动机构包括步进电机及机械 传动装置，其功能是接收控制系统发送的纠偏信号来驱动执行机构进行 纠偏，形成一个连续的闭环控制系统。使带材准确的卷取，从而达到卷 出的带卷边缘整齐的目的。系统控制框图如图2 7 所示： 图2 7控制系统框图 由于选择的是c c d 光电检测方案，c c d 输出的是电脉冲信号，经过 武汉t 程人学硕l 二学位论文 d s p 运算处理来控制电机，为了达到较好的控制精度，采用步进电机作 为执行机构的主要驱动。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则 转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误 差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控 制变的非常的简单【2 1 1 。 步进电机作为驱动器，其步距不受电压波动、负载变化和环境条件 的影响 2 2 1 。同时其惯性很小，快速性较好。它能按照控制脉冲信号的要 求，迅速启动、反转、制动、正转和无级调速。因为是脉冲信号控制， 所以很适合计算机的数字程序控制。本纠偏控制系统的总体结构示意图 如图2 8 所示。实验实物图见附录一b 。 图2 8控制结构图 带材由放卷辊8 经调解辊4 和导向辊3 n 收卷辊l ，收卷辊1 由直流电 第2 章带材纠偏系统总体方案的设计 机带动，可无级调速。调节辊4 的一端与套在丝杆6 上的滑块2 相连，可 以无摩擦的转动，滑块2 可以在基座9 的两内壁7 中上下移动。丝杆6 与步 进电机5 的轴垂直相连。这样当步进电机转动时，滑块可以在丝杆上垂 直上下移动，丝杆螺距为5 m m ；同时调节辊4 可以在铅直平面内做上升， 下降的动作，这就可以使带材左右移动，达到控制的目的。 武汉t 程大学硕上学位论文 3 1 系统硬件构成 第3 章系统硬件的设计 系统构成图如图3 1 所示。为减小电路体积，增强系统的抗干扰能力， 同时便于后期的维护和升级，测量电路模块的功能采用c p l d 器件来实 现。控制器采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为核心，来控制步进 电机的执行。 p 嘲 步进电机 d s p 2 4 0 7 i 司事下一e c p l 晰数处理 ! j 数码显示 图3 1系统硬件构成示意图 j 一 如3 1 图中的虚线部分所示，其中驱动电路，线阵c c d ，二值化以 及c p l d 计数处理为c c d 狈j j 量处理模块。 3 2c o d 测量处理系统 本节主要介绍t c c d 传感器原理，c c d 视频信号的二值化处理及 c p l d 的硬件设计。 3 2 1c c d 传感器原理 c c d 是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电 压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入 第3 章系统硬件设计 射至i j c c d 的光敏面时，c c d 首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量 成线性关系的光电荷。 c c d 的工作原理是被摄物体的反射光线到c c d 器件上，c c d 根据光 的强弱积聚相应的电荷。产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤 波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号 或标准的视频信号。基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原 理，线阵c c d 可以实现图像传感和尺寸测量的功能。图3 2 为c c d 光谱 响应曲线f 2 2 】。 光谱响应 ，、 t 、t = 2 5 、 、 、 、 4 0 0 5 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 0 图3 - 2c c d 光谱响应曲线 c c d 最突出的特点在于它是以电荷作为信号，而不是以电流或者电 三作为信号，c c d 基本功能是电荷的存储和电荷转移。因此，c c d 检测 二作过程中的中心问题是由带边的移动到信号电荷的产生、存储、传输 和检测。我们在设计中采用的c c d 器件像素为2 0 4 8 像素，单元中心间距 为1 4 9 m 。 图3 3 为三相c c d 的电荷信息转移原理刚2 3 】【2 4 1 ，图中有十个电极。 1 、4 、7 、1 0 电极接第一相时钟脉冲疹l ，2 、5 、8 电极接第二相时钟脉 武汉工程大学硕士学位论文 冲多2 ，3 、6 、9 电极接第三相时钟脉冲西3 。三相时钟脉冲的时序波形 图如图3 4 所示。 3t 6 i9 一，l l 1 2 7 5 i 8 p 1 r 。卜一- _ r 卜l 一b1 0 【! ：! ! = ! ! 。巴! 。卜_ - = 二! ! ：。! ! ! 刁 ! 竺竺垦 ( a ) 0 二f 厂 二厂 二厂 ( b ) t = t 1 ，中1 一k 晚= 中3 = 0 0 二阴厂 二厂 二： ( c ) t = t 2 ，口l = 口2 = 一k 口3 = o 一一二卜n 二厂l ( d ) t = t a ，西l = 一v 2 ，驴2 = 一以驴3 = o 二厂 厂 二厂 二一一 ( c ) t = t 4 ，中2 - _ n 口l ：q 3 = 0 图3 3c c d 电荷转移原理 下面分析这个移位寄存器中代表二进制的存储电荷是如何从左向 右转移的。当h l 时，时钟脉冲电压西l = 以鸡= 多3 = 0 ，势阱在电极1 、4 、 7 、1 0 底下形成。假设仅在电极l 、7 、1 0 下面有存储电荷，电极4 下面是 空阱，即表示二进制字节1 0 11 存入c c d 中，电位的分布如图3 3 ( b ) 所示。 第3 章系统硬件设计 n t - - t 2 时，痧l = 西2 = 以呜0 ，电位分布改变成如图3 3 ( c ) 所示。由于原来 电极2 下位空阱，所以有原势阱中扩散一部分空穴到空阱，所存储的电 荷为两相邻电极所共有。当t - - t 3 时，函1 = 一v 2 ，西2 = 一v ，妒3 = o 保持不变， 电荷分布如图3 3 ( d ) 所示。由于西，和多2 电位差引起的边缘电场影响，使 空穴移向深的势阱。最后在t = t 4 时，西2 = 一v ，西l = 西3 = o ，电位分布如图3 3 ( e ) 所示，三相时钟脉冲变化到此的结果，把原存储的1 0 1 1 从左向右转移了 一个电极。 口1 函2 t 1t 2t 3 t 4t 5t 6 t 7 t 8t 9 图3 - 4三相脉冲时序图 当检测带材的边缘发生微小变化时，即把移位信息从一个电极移至 另一个电极。 3 2 3c o d 测量模块的硬件设计 为了满足高精度、高可靠性的要求，我们选用t c d l 4 2 d 型c c d ，由 2 0 4 8 个像元构成，每个光敏元长为1 4 9 m ，光敏元阵列总长为2 8 6 7 2 m m 。 本模块主要完成c c d 视频信号的二值化处理和带材边缘实际偏离尺寸 武汉工程大学硕上学位论文 的计算，然后将测量的数据传输给d s p ，经计算后并f 1 3 d s p 自带的p w m 输出相应得控制信号来控制步进电机执行纠偏动作。 其中c c d 视频信号的二值化处理电路和跑偏尺寸计算电路最为关 键。其硬件原理图如下图3 5 所示。 i一一i一一一一f 二一 一一一 一 二值化处 理电路 印 卜一 u 测骱数电路 肥：l s e 广 l s e l l ec l k i n t 1 i 1 八 p b y o 7a o _ 1 5 q o - 1 5d o 一1 5 q o t 5 nv 数据输出锁存模块计数模块 l 图3 5测量模块硬件原理图 1 偏差计算电路 图3 5 中的虚线部分就是偏差计算电路硬件原理图，选用一片 m a x 7 0 0 0 s 系列芯片e p m 7 0 6 4 s l c 4 4 来实现计数器的功能。该系列芯片 是a l t e r a 公司典型的可通过j t a g 在线编程的c p l d 器件。 图中f c 为c c d 驱动电路输出的行同步脉冲( 负脉冲形式) 信号，f c 的周期为c c d 的积分时间。该信号的上升沿对应于c c d 有效视频输出的 开始( 通常线阵c c d 输出的前端都包含有若干像元的无效信号) 。s p 为像元同步脉冲信号，该信号的上升沿对应于单个像元的视频输出。如 果需要对输出信号进行a d 转换，则应当在s p 的上升沿对输出进行采样。 骗为t c d l 4 2 d 的模拟量输出。 2 c c d 视频信号二值化处理 i i l l i l i l i-1 第3 章系统硬件设计 二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。光学系统把 被测带材边缘成像在c c d 光敏元件上，由于带材边缘的背景在光强上强 烈变化，反映在c c d 视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有明显的电 平变化。通过二值化处理把c c d 图像中图像尺寸部分与背景部分分离成 二值电平。 对c c d 视频信号进行二值化处理由如图3 6 所示的硬件电路完 成。将送人电压比较器l m 3 11 的同相端，电阻r 2 和电位器r 3 两端的压 降作为阈值电压u t n 送到l m 3ll 的反向端，调节r 3 可对c c d 视频信号 进行浮动阈值切割。在比较器的输出端可得到视频信号的二值化处理的 结果，即电平高于阀值的部分输出高电平，而低于阈值的部分输出低 电平。这样就形成了具有一定宽度的二值化信号。该信号的宽度对应着 物平面内的带材边缘在c c d 光敏面上所成像的大小 2 5 】【2 6 1 。 u o 6 0 图3 - 6c c d 视频信号二值化处理电路 3 测量模块的工作原理 同步信号发生器产生的同步信号送至l j c c d 驱动器的外同步端。在外 武汉工程犬学硕【：学位论文 同步脉冲作用下，c c d 对带材的一个边缘进行检测。物平面内的带材成 像至i j c c d 的光敏面上，在驱动脉冲作用下，输出视频信号并送人电压 比较器l m 3 11 进行二值化处理。然后使用像元同步脉冲信号s p 或l l s p 的频率更高的脉冲信号对进行等间隔的采样，最后送入计数电路模 块。 当f 畴号的下降沿到来时，表明c c d 本次有效视频信号输出完毕， 该下降沿信号触发d s p 芯片的外部中断i n t 。在中断服务子程序中，计 数电路模块被清零并开始工作。与此同时，将f c 的下降沿信号经反相后， 即一个上升沿信号作为捕捉脉冲三e ，捕捉计数值并锁入锁存器。 在字节选择信号的控制下，数据输出模块依次将计数值的高、低字 节读至i j d s p 的p b 端口。然后i 主i d s p 完成如下计算：脉冲计数值乘以脉冲 的量得到像的尺寸，再除以光学成像系统的放大倍数，即得到带钢边缘 的实际偏离尺寸。最后d s p 将该值通过自带的p w m 输出口对步进电机作 出控制，由其对带材进行实时控制，从而完成纠偏控制任务。 3 3 控制器硬件的设计 由上一节可知，检测元件采用了c c d 传感器，其输出为电信号，执 行机构由步进电机来驱动，将d s p 作为控制器，对偏差信号进行接收、 处理和对步进电机进行控制。 d s p 芯片，是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f f 勺缩写，即数字信号处理器的 意思。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备以数字的形式对信号 进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合 人们需要的信号形式，即我们经常所说的d s p 器俐”1 。 第3 章系统硬件设计 3 3 1ti 定点d s p 芯片一t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系歹q j d s p 是专为数字电机控制和其他控制系统而设 计的【2 5 1 。它内部不但有高性能的c 2 x x c p u 内核，配置有高速数字信号处 理的结构，且有单片电机控制的外设。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列将数字信号 处理的高速运算功能与面向电机的强大控制功能结合在一起，成为传统 的多微处理器单元和多片系统的理想替代品，可用于控制功率开关转换 器，可提供多电机的控制等。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 的高集成度，一片芯 片即可构成一个测控系统的控制器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和控制等先进的 控制算法，支持多项式的高速实时算法，因而可减少力矩纹波、降低功 耗。减少振动，从而延长被控设备的寿命，为各种电机提供了高速、高 效和全变速的先进控制技术。所以采用此芯片来控制步进电机。 1 硬件结构特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 有以下一些特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了功耗； 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证与t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容；片 内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口毗w ( s a r a m ) ；两个事件管理器模块e v a 和e v b ，适用于控 制各类电机；看门狗定时器模块( w d t ) ；控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模 块；串行通信接口( s o ) 模块；1 6 位的串行外设接口( s p i ) 模块；j t a g 接 口，使得在系统编程( i s p ) 很容易实现；1 0 位a d 转换器最小的转换时间 为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发2 个8 通道输入a d 转换器或1 个1 6 通道输入a d 转换器，而每次要转换的通道都可通过编程来选择。 武汉工程大学硕士学位论文 需要说明的是，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 是定点1 6 位芯片，存储数据的最小 单位是1 6 位的字，每个地址( 包括程序地址、数据地址及i o 地址) 所存的 数据都是1 6 位2 8 1 。 2 改进的哈佛结构和流水线操作 d s p 采用程序空间和数据空间完全分开的哈佛( h a v a r d ) 结构，允许 同时取指令和操作数，而且允许在程序空间和数据空间之间相互传递数 据，即改进的哈佛结构。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 的c p u 核心具有独立的内 部数据和程序总线结构。数据和程序总线分为6 条1 6 位的总线，分别为： p a b ，程序地址总线，为读写程序空间提供地址；d r a b ，数据读地址 总线，为读数据空间提地址；d w a b ，数据写地址总线，为写数据空间 提供地址；p r d b ，从程序空间向c p u 传送代码、立即操作数和表信息 的程序读总线；d r d b ，从数据空间向中央算术逻辑单元( c a l u ) 矛d 辅助 寄存器算术单元( a r a u ) 传送数据的数据读总线；d w e b ，可以传送数 据到程序空间和数据空间的数据写总线。数据读地址总线( d r a b ) 和数 据写地址总线( d w a b ) 是相互独立的地址总线，c p u 在相同的机器周期 内可以同时进行数据读写操作。 3 事件管理模块 l f 2 4 0 x a 系列的所有器件( 除了 2 4 0 2 ) 都有两个事件管理器模块，即 e v a 和e v b 。每个事件管理器模块包括两个位通用定