关键词：STM32;现金打捆机;闭环控制;步进电机
引言
现金打捆机是一款为了解决金融系统纸币捆扎而研制的捆钞设备，其将百张纸币一起进行打捆，以便于清点、运输和保存。目前国内全自动现金打捆机的硬件系统中，进收带机构多采用光电编码盘控制进收带量，对控制三个压头的打捆机构多采用机械凸轮完成现金打捆，但是这大大增加了设备的体积和控制的复杂度;其软件系统中，大多采用PLC控制，但是PLC成本高，保密性差，并且对现金打捆机某些控制单元有特殊要求，难以做到实时监控、自我修正的闭环控制[1]。因此，本设计基于解决以上问题，提出一种采用步进电机代替机械凸轮的新型设计方案，该系统自行开发软硬件，具有成本低、精度高、可靠性好等优点。
1.系统硬件设计
1.1 现金打捆机工作原理
系统通过STM32芯片协同控制，对进收带机构采用微动开关与压力开关巧妙配合，完成进带、收带、紧带;对打捆机构中的三个压头采用三个步进电机独立控制，这样当现金打捆过程中发生特殊情况时，只需调用相应的复位子程序，即可实现自我修正。其具体打捆工作流程，如图1所示：
（1）当现钞进入工作台指定位置后，现金打捆机通电，进入现金打捆工作流程[2]。
（2）a为送带过程：启动进收带电机正转开始进带，当捆扎带自由端碰到带道上的“进带到位”微动开关时，进收带电机停止工作。
（3）b为紧带过程：固定压头电机正转，压好带头侧后，固定压头电机停止工作。同时，启动进收带电机反转开始紧带，当检测到捆扎带被抽紧，即“收带到位”压力开关置位时 ，进收带电机停止工作。
（4）c为再收紧过程：收紧压头电机正转，压好带尾侧后，收紧压头电机停止工作。这时，现钞被完全捆扎紧。
（5）d为热合剪断过程：同时，启动热合剪断压头电机正转开始热合剪断，根据捆扎带此时角度设计布置的热合片比剪刀高，但在热合剪断压头上升过程中，捆扎带先被剪断，然后热合片将捆扎带加压熔接。
（6）最后热合剪断压头电机、收紧压头电机、固定压头电机依次反转，复位到初始位置。这时，捆扎带加压熔接处冷却，得到牢固的接头，至此完成现金打捆工作。
图1 现金打捆机工作模型的打捆过程示意图
1、进收带电机，2、捆扎带，3、带道，4、现钞，5、微动开关，6、固定压头电机，7、压力开关，8、收紧压头电机，9、热合剪断压头，10、热合板，11、剪刀，12、螺栓传动轴
1.2控制系统硬件组成
现金打捆机的硬件控制电路主要包括STM32控制器、步进电机驱动器、热合剪断压头电机、收紧压头电机、固定压头电机、位置状态传感器、微动开关、压力开关、电源管理几大部分。其主要硬件框图，如图2所示：
图2 现金打捆机主要硬件框图
控制系统主控芯片采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列32位闪存微控制器，该芯片非常适合在要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式控制领域应用。STM32具有自己独特的优点： 在Cortex-M3架构上进行了多项改进，在提升性能的同时，所有新功能都具有较低的功耗，其内核电压为1.8V，芯片电压为3.3 V，可以选择睡眠模式、待机模式，保证低功耗应用的要求;相对于ARM系列其他芯片，STM32运行速度更快; 7个TM最多可以产生28个精准的PWM信号，方便地用于步进电机控制;丰富的通信模块便于与上位机进行通信[3]。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、定位保持力、开回路控制不必依赖传感器定位等特点，因而被广泛地应用[4]。本系统要用到4台两相四线制42BYG102步进电机，采用L6208N驱动芯片来驱动[5]。
主控芯片接收到打捆指令并将其转化为用于控制步进电机的PWM信号和方向信号，然后通过步进电机驱动器对步进电机进行细分驱动，细分后步进电机运行将更加平稳[6]。其中控制一台步进电机需要STM32产生PWM信号和方向控制信号，并利用HCPL0630光电耦合器进行光耦隔离后经三极管放大输出。通过光耦合器的隔离，电路具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。三极管放大采用开漏输出，方便线与逻辑功能的实现，同时通过外接不同上拉电阻可以增加外围的驱动能力。
2.系统软件设计
2.1 控制程序流程图
系统主要通过各个步进电机和传感器的协调配合，实时监控位置状态信号，当现金打捆过程中发生特殊情况时，只需调用相应的复位子程序，即可实现自我修正，真正实现了高精度的闭环可自修正控制。其整体控制流程图，如图3所示：
图3 系统整体控制流程图
步进电机的控制程序主要是通过完成STM32F10x芯片的初始化，以及RTX内核的初始化工作，设置好CLOCK、CONTROL、HALF/ 
、CW/ 
、RESET、EN的所需预定值，实现步进电机正反转等功能。其中将TIM2的第1个通道配置成PWM模式，此模式可以产生一个由TIM2_ARR寄存器值确定频率、TIM2_CCR1寄存器值确定占空比的信号。为使步进电机能稳定旋转，将TIM2_CCR1 的值设置为TIM2_ARR的一半。通过修改对硬件的初始化，可改变对电机的控制策略，系统具有较好的通用性[7]。
2.2 打捆机构控制原理及实现方法
系统中通过对打捆机构中的三个压头的协同控制，来实现现金打捆。设计中将步进电机转轴与螺栓传动轴固定在一起，螺母固定在三个压头底部，这样通过螺栓传动轴的转动就可以实现三个压头的升降，问题就转化成对步进电机的协调控制。
在公制螺栓中，一般会标明，称呼径、牙距、长度等规格参数，这样就可以得到螺丝直径d、螺距p、螺纹长度l。以一台步进电机为研究对象，设打捆机构中的一个压头需要升降的高度为h（h<l），步进电机所在子系统的机械传动等装置的转化系数是常数，设为q，电机所需运行圈数设为Q，则
如果42BYG102步进电机采用两相八拍运行方式， 转子齿数为50齿，则运行时步距角为θ=360度/（50×8）=0.9度。设驱动器细分倍数、电机运行总步数、PWM脉冲总个数分别为 n、N、P，则
这样，就可以根据PWM脉冲总个数P在程序中的设置，从而实现给定的打捆机构中的各个压头需要升降的高度。
步进电机每一次目标位置的移动，都需要经过启动、加速、高速、减速和制动过程。速度大小是由PWM脉冲信号频率决定的，所以完成目标位置移动的过程就是不断调整PWM脉冲信号频率的过程。STM32定时器产生的PWM脉冲频率是由时钟频率f、预分频值M、计数周期T决定的，而时钟频率和计数周期通常固定不变，所以只需通过修改预分频值来调整输出脉冲频率，就可以调整步进电机的转速[8]。
3.结语
本设计改进了现有现金打捆机产品设计方案的优缺点：采用STM32F10x微处理器进行硬件控制，提高了系统的精度;同时对机械设计部分进行重新设计，采用步进电机对打捆机构中的三个压头进行协同控制，实现了原有凸轮的功能。经过功能调试，系统既简化了设备的体积，又具有实时监控调整功能，真正实现了高精度的闭环可自修正控制，能够完成现金打捆，实现预期的要求和效果。
参考文献：
[1]丁素珍.新型捆钞机及捆扎带的发展趋势[J].浙江工贸职业技术学院学报，2005（4）：13-18.
[2]陈予吒，高锋.五点式全自动捆钞机的原理与实现[J].电子技术应用，2003，29（11）.
[3]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2008： 22-408.
[4]库少平，刘晶.基于STM32F10x和MDK的步进电机控制系统设计[J].武汉理工大学学报，2009，31（3）.
[5]意法半导体公司.步进电机驱动L6208N应用手册.
[6]张 理.细分驱动技术在步进电动机中的运用与分析[J].电器工业，2008（5） ： 58-59.
[7]意法半导体公司.STM32F103 中文参考手册.
[8]刘慧英，范宝山.基于STM32的多步进电机控制系统研究[J].测控技术，2010，29（6）.
作者简介：杨忠胜，学生，硕士，主要研究领域：检测技术与自动化装置。