1 卷烟包装机项目设计方案 1. 绪论 1.1 选题背景及研究意义 在卷烟厂制造香烟的自动化生产过程中， 撕带包装是香烟包装过程中的重 要的组成部分。 撕带的供给速度要时刻随着整机运行速度的改变而改变， 时刻 与整机的运行同步。 此环节的运行是否正常直接关系到整个包装流程是否能顺 利的进行， 关系到生产效率和产品的包装质量。 香烟包装是香烟生产的重要环 节，铝箔纸包装、商标纸包装、撕带与透明膜包装、条盒包装等过程。其中撕 带包装的作用是为了使烟包美观、 增加防伪标识以及给消费者查封烟包时带来 方便。 在传统的撕带供给系统中， 主电机通过机械传动机构驱动机器上包括撕 带传输供给机构的各个相关部分运转。 撕带传输供给机构的运转速度与主电机 的运转速度成正比， 实现了包装与撕带供给的同步。 但这都存在着难以避免的 缺陷：机械传动装置体积大，结构复杂，运行噪音大 , 随着时间的推移，由于 机械零件的磨损， 同步机械传动装置在运行中易产生误差积累， 使撕带的供给 与整机的运行在同步上产生偏差， 撕带受力发生变化， 从而影响产品的包装质 量，有时还会出现撕带断开的现象。这种现象在机器启动、急停等情况下表现 得尤为明显， 严重影响了生产的正常进行。 这对于时间就是效益的卷烟厂来说 是无法接受的。鉴于上述原因，许多卷烟厂迫切要求改进撕带传输供给机构， 以克服上述影响生产的不良因素， 确保包装生产的正常进行。 设计出一套运行 稳定可靠、实用的撕带供给控制系统，已成为一项重要课题。

1.2 研究步骤、方法

第一：根据所选的题进行理论知识的收据，研究题目所涉及到的内容， 能够较好的掌握有关题目的知识。 第二：收集与所选题相关的硬件资料， 并确定各个部分所需要的各种芯片。 第三：根据课题要求，提出大体系统框架，并在框架的基础上画总体的原 理图。 第四： 确定以单片机为核心的硬件电路图， 并实现各种芯片与单片机间的 通信。 第五： 根据系统控制过程完成软件设计部分， 绘制出主流程图及各个子流 程图。 第六：调试软件，使系统软件与硬件和结合，根据试验结果撰写论文。

2方案论证

2.1系统原理 按照设计方案所设计的撕带传输供给系统的工作原理如下： 运用脉冲宽度调制（PWM ）技术设计所产生的信号去驱动电动机，并用 电动机驱动撕带轴2

转动， 实现撕带的主动供给。 撕带电机的转速由撕带供给控 制单元及驱动单元进行控制。 主驱动电机上的测速发电机信号的大小是包装机 运行速度的直接反应，可将该信号进行处理并送入控制单元作为撕带电机的同 步转速给定信号。控制单元以单片计算机为核心组成调速系统， 单片机对撕带 电机的转速给定信号及转速和电流反馈信号进行处理、运算，最终输出 .正确 的控制信号给驱动单元， 驱动单元根据控制信号的大小驱动撕带电机以一定的 转速转动，即可实现撕带电机稳定运行并快速跟随整机的运行速度， 达到撕带 供给与整机运行同步的目的。 以上是撕带供给控制系统的总体设计方案， 系统的主要职能是控制撕带电 机的转动速度。可将系统从各部分结构功能上划分为外围检测与执行元件和内 部控制系统两大部分。

2.2系统框图

图1系统框图 3

3 硬件设计 3.1 撕带电机的选用 在包装过程中，当出现包装机本身必要的辅助材料衔接以及连续剔除不 合格烟包的情况时，机器需要自动降速运行 ; 上游机原料及半成品供应不连续 时，包装速度也要自动适时调节甚至短暂停机 ; 包装机运行时，若出现故障需 要立即停机 ; 等等。因此包装机的运行速度并非固定不变，有时波动性很大。 为了保证撕带供给与包装同步，要求撕带电机必须满足以下要求 : 响应速度快 撕带电机必须能够以足够的精度快速跟踪整机的运行速度。 性能稳定 要求撕带电机调速范围宽，尤其要求低速特性稳定。 根据以上设计要求，应以伺服电机为选择对象 : 伺服电机可分为直流和交流两类。 和相应的普通电动机相比， 在基本原理 和结构上没有特别明显的差别。 但由于是伺服元件， 所以伺服电动机和普通电 动机在性能要求上截然不同。 伺服电动机有灵敏度高 （ 电动机始动电压小 ） 、动 态响应快 （ 机械时间常数和电磁时间常数小 ） 、机械特性和调节特性线性度高等 控制性能。 直流伺服电机由直流电源供电， 是靠电枢电流与主磁场作用产生电 磁转矩， 使电机旋转。 直流类电动机具有优良的控制特性，

要用于需要速度控制的高性能电力拖动和伺服控制方面， 统和精确控制系统中，它有以下特点

i. 稳定性好 直流伺服电机具有下垂的机械特性， 定运行。

ii. 可控性好 直流伺服电机具有线性的调节性能，

的大小 ; 转向取决于控制电压的极性 : 控制电压为零时，转子惯性很小，能

立即停止转动 iii. 响应迅速直流伺服电机具有较大的启动转矩和较小的转动惯量， 在控制信 号增加、减小或消

失的瞬间，直流伺服电机能快速起动、快速增速、快速 减速和快速停止。 直流电机具有电刷及换相器装置， 运转时存在换相火花和无线电干扰， 这 是它的不足之处。对交流伺服电机来说，交流伺服电机具有过载能力强，无换 相部件，体积小，精度高等诸多优点。但目前而言，对交流伺服电机的控制技 术还相当复杂。 所以不作为本课程设计的选择。 本设计对驱动电动机最主要的 要求，是良好的调速性能和起、制动性能，直流伺服电机容易满足这一要求， 能方便地、经济地在大范围内平滑地调速，综上所述，经过对比论证，本设计 选用直流伺服电机做为撕带电机，用以驱动撕带轮转动。为了使线路简洁，选 用永磁式直流伺服电机 （Permanent Magnet DCServo Motor ） 。永磁式直流伺 服电机的主磁场是由永久磁钢产生

的恒定励磁磁场， 不需要励磁电源和励磁线

控制方法经济实用 直流伺服电机的调速和控制性能优异， 转速选择范围宽， 因此直流伺服电机主

广泛应用在宽调速系

能在较宽的速度范围内稳 能使转速正比于控制电压 4

圈。所以永磁直流伺服电机结构简单、体积小、重量轻、安装方便。此外，永 磁式直流伺服电机还具有高转矩 /惯量比、动态晌应快、低速脉动小、调速范 围宽、低速转矩大、过载能力大、高效节能等特点，完全可以满足本设计的要 求⑴。

3.2驱动方式 直流伺服电机是用直流供电的， 为调节电动机的转速， 可对其直流电压的 大小进行控制。在本设计中采用晶体管脉宽调速驱动方式（ PWM控制撕带电 机的运转。该驱动方式是将一个控制电压 Uk转换成宽度与Uk成比例的脉冲方波 给直流伺服电机的电枢回路供电。图 2为脉宽直流驱动的原理图。

图2脉宽直流驱动原理图 a）控制电路图 b）电压-时间关系图 控制电压Uk控制开关S周期性的闭合、断开。使加到电机两端的电压为一脉 冲方波。当控制电压 Uk变化时，脉冲方波的幅值不变而振荡周期 （占空比）发 生变化，从而改变了电机电枢回路的平均电压值 UA，电机的转速发生变化。 设脉冲方波的幅值为 U,振荡周期为T,方波在一个周期内所占的宽度为 T当 T从0到T之间变化时，则一个周期内电枢回路的平均电压值 UA为：

1 i , UA二—OU dt = U = pU T 0 T

式中p= TT为导通率。当 T不变时，只要连续地改变 T（0-T）就可以连 续地使UA由0变化到U,从而达到连续改变直流电机转速的目的。在实际应 用的PWM系统中，脉冲方波靠大功率三极管或大功率场效应管 MOSFET等 工作在开关状态来实现。其开关频率可从 2KHZ ~20KHZ，使振荡周期T比电 动机的机械时间常数小得多，故不至于引起电动机转速的脉动。并且 PWM脉 宽调速驱动方式有诸多的优点：线路简单，管耗小，系统效率高，在开关频率 高时，电流波形好，谐波小、可使系统的低速性能好，调速范围宽、快速响应 和动态性能都教好。因此PWM脉宽调速驱动方式很适用本课题的中小功率范 围的驱动及控制系统［2］。

a) b) 5

3.3驱动电路的工作原理 图3为本设计所采用的单极性 PWM直流调速驱动电路。单极性驱动即 是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈单一变化。 VSS

GND 图3单极性PWM直流调速驱动电路图

图中TI、T2、T3、T4是起开关作用的大功率晶体管， D1、D2、D3、D4 为续流二极管。在电机电枢同一侧的晶体管 T1和T2的基极控制电压反相， 使TI和T2工作在交替的开关状态。电机电枢的另一侧的 T4处于饱和导通状 态，T3工作在截止状态。当需要改变电机的电枢电压极性时，可令 TI截止， T2饱和导通，T3和T4交替工作。

当要求电动机正转工作时，平均电压 UA大于感应电动势 EA,在每个PWM 周期的0~t时,Ti导通，T2截至。电流la经Ti、T4,从A到B流过电枢绕组， 在t~T,T2导通，Ti

截至，电动机与电源断开，这时电枢电流减小，电枢电感 释放能量，维持续流电流，电枢电流方向不变，此时电流 I经T4、D2从A流 到B再到T4构成回路。此时由于二极管 D2的导通，T2实际是不能导通的。 下一周期重复上述过程。 当电动机在进行减速运行时，平均电压 UA小于感应电动势 EA,在每个 PWM周期的0~t,在感应电动势和自感电动势共同作用下，电流经二极管 D4、

Di流向电源，方向是从 B到A，电动机处于再生制动状态。在每个 PWM周

期的卜T,T2导通，Ti截止，在感应电动势的作用下电流经 T4,D2仍然是从B到 A流过绕组，电动机处在耗能制动状态。下一周期重复上述过程