基于霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)膠印機控制系統(tǒng)的應用設計

作者：邱召運，李述香，劉發(fā)明，劉其濤，姜廣東

實現(xiàn)膠印機印刷工藝過程的程序控制系統(tǒng)（PLC）需用多個傳感器對紙張位置、旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，傳感器數(shù)量的增多給安裝、調(diào)試和使用造成諸多不便，使設備的可靠性降低，電氣控制系統(tǒng)的成本增加。分析膠印機的功能和機械傳動系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，膠印機的合壓、打碼、撥碼、噴粉和雙回轉(zhuǎn)功能屬順序控制，可通過檢測收紙輥的旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)程序控制。考慮到膠印機存在油、墨、水和落塵污染，又屬連續(xù)運行的苛刻應用環(huán)境，磁敏型傳感器較為適合，但對控制工位相對少的膠印機來說，選用磁旋轉(zhuǎn)編碼器又顯得價格昂貴。因此，基于開關型霍爾電路設計了霍爾式膠印機旋轉(zhuǎn)編碼器系統(tǒng)（以下簡稱霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器），使傳感器的安裝、調(diào)試、布線簡化，節(jié)省了PLC的輸入接口資源，在膠印機控制系統(tǒng)中的應用取得了成功。

1 霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器原理框圖

霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器主要由旋轉(zhuǎn)磁鐵組合、取樣電路和信號處理電路等部分組成，如圖1所示。其中，旋轉(zhuǎn)磁鐵組合安裝在膠印機收紙輥上，霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器電路部分固定在機體上，敏感面對準磁極，兩者間距小于5 mm，對收紙輥的旋轉(zhuǎn)角度進行取樣。因磁極的位置是確定的，所以取樣信號是絕對位置量。如果取樣電路具有識別印刷工藝起點和位置順序控制點的能力，那么印刷的過程就能通過一個傳感器的多點取樣，實現(xiàn)程序控制。取樣的基礎是基于霍爾電路A3144，顯然單一霍爾芯片不能實現(xiàn)包括起始點和順序點的取樣，需要對取樣電路進行特殊設計，以滿上述要求。取樣電路獲取的位置信號送信號處理電路，經(jīng)軟件系統(tǒng)對信號進行判斷處理，確認后輸出編碼信息。

2 取樣電路系統(tǒng)設計

2．1 雙霍爾取樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

根據(jù)開關型霍爾電路原理，霍爾芯片只對一個方向的磁場有效，這就是說霍爾芯片的一個感應面為磁體的s極敏感，那么另一面一定是N極敏感，假設這兩面分別叫S面和N面。將兩個開關型霍爾芯片A和B的相同敏感面（例如N面）相對，A在前，B在后疊放，組成一雙霍爾取樣電路AB。芯片A的輸出定義為Va，芯片B的輸出定義為Vb，顯然對來自同一方向的磁體，芯片A對S極敏感，芯片B對N極敏感，即S極觸發(fā)雙霍爾AB，則Va輸出，N極觸發(fā)AB，則Vb輸出，參見圖2。這種設計使取樣芯片組對兩個磁場方向都敏感，因芯片獨立輸出，具有識別磁極的能力。由于磁體組的S極、N極有位置間隔，所以Va，Vb信號在時間上不重疊。當S，N1，N2， N3，N4旋轉(zhuǎn)一周順序觸發(fā)AB時，芯片A將輸出一個脈沖，稱之為“起始點”或零信號；芯片B將輸出四個脈沖，稱之為“順序點”信號?；谶@種思想設計取樣電路，實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)磁體組各磁極的識別功能，尤其關鍵的是能確定印刷過程的起始點。

2．2 膠印機磁體組合設計 ．

用于膠印機的磁體組合由5塊稀土磁鋼構(gòu)成，其中一個磁體的S 極朝外且對應印刷“合壓”位置，另外四個磁體的N極朝外，分別對應“打碼”、“撥碼”、“噴粉”和“雙回轉(zhuǎn)”工藝過程位置。因設備間存在差異，“打碼”、 “撥碼”位置可同步調(diào)整。磁鐵組合安裝在膠印的收紙輥上，每完成一次印刷過程，收紙輥旋轉(zhuǎn)一周，通過檢測磁體位置，實現(xiàn)了對膠印機印刷過程的程序控制。

3 霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器電路設計

編碼器電路的核心采用了Microchip Technology Inc，生產(chǎn)的PIC12C508A微控器。它基于COMS設計，采用RISC結(jié)構(gòu)，片內(nèi)程序存儲器EPROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM，集成了上電復位電路 （POR）、時鐘振蕩器（INTRC）、看門狗定時器（WDT）等功能單元，具有小型化封裝（8-Lead SIOC）、低功耗（2）取樣輪每旋轉(zhuǎn)一周，軟件系統(tǒng)完成一個編碼序列轉(zhuǎn)換。編碼脈沖低電平寬度由軟件決定，與旋轉(zhuǎn)速度無關，而高電平寬度則由磁體N極間隔決定。因此一個完整的編碼序列包含了起始點、順序位置間隔和旋轉(zhuǎn)周期三個方面的信息。

4 軟件系統(tǒng)設計

PIC12C508A微控器，采用精簡指令集系統(tǒng)，除跳轉(zhuǎn)指令外絕大多數(shù)指令周期為。

4．2 軟件系統(tǒng)程序清單

軟件設計包括初始化程序、主程序和延時子程序，參考程序清單如下。

（1）寄存器定義與初始化程序

5 結(jié) 語

霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器具有開關型霍爾傳感器的優(yōu)點，它基于簡單實用的原則設計，直接獲取位置信號，原理上與結(jié)構(gòu)復雜精密的磁旋轉(zhuǎn)編碼器不同。該系統(tǒng)在膠印機上的應用取得了較好效果，性能穩(wěn)定可靠，具有優(yōu)異的性能價格比。對位置測量，取樣點越多，其優(yōu)越性越明顯。盡管是針對膠印機特點設計，但其應用卻具有普遍意義。磁體組合可根據(jù)需要靈活設計，為它用提供了方便。

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