韓強，王群，楊業(yè)超

（東華大學機械工程學院，上海 201620）

噴墨印花設備中伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設計

韓強，王群，楊業(yè)超

（東華大學機械工程學院，上海 201620）

介紹了噴墨印花設備中伺服驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成，并對系統(tǒng)中傳動部分分析，得到需要控制無刷直流電機達到的狀態(tài)及其所承受負載轉(zhuǎn)矩。在Matlab的Simulink中對無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，得到系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速響應及三相電流曲線，并以此為依據(jù)設計了噴墨印花設備中的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。對系統(tǒng)所采用的PID調(diào)速方法進行介紹。最后通過實際驅(qū)動系統(tǒng)的實驗得到電機實際轉(zhuǎn)速與電流數(shù)據(jù)，驗證了系統(tǒng)的可行性與可靠性。

無刷直流電機；仿真；伺服驅(qū)動系統(tǒng)

1 引言

噴墨印花設備是利用電腦技術(shù)，將圖像設計與精密噴頭控制技術(shù)和機電自動化技術(shù)相結(jié)合的高科技產(chǎn)品［1］。在噴墨印花設備的研制和開發(fā)中，伺服驅(qū)動系統(tǒng)是整個印花系統(tǒng)的關鍵之一。由于設備的噴墨位置以及噴頭掃描速度的穩(wěn)定性決定了打印圖片的質(zhì)量，所以噴墨印花設備對打印位置和運動的穩(wěn)定性有著很高的要求。噴墨印花設備伺服驅(qū)動系統(tǒng)需要對噴墨位置進行精確的控制，從而保證打印圖片的質(zhì)量。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

在噴頭小車的驅(qū)動控制上，系統(tǒng)采用無刷直流伺服電動機與位置傳感器相結(jié)合的方法，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)選用Microchip公司的dsPIC33FJ128MC706單片機作為主控芯片，它采用強大的16位架構(gòu)，此架構(gòu)將數(shù)字信號處理器的計算能力與單片機的控制特性無縫地集成在一起。這種集成的功能對于需要高速、重復計算和控制的應用非常理想［2］。

FPGA用位置檢測的方法來進行噴頭定位，并根據(jù)位置來確定控制小車電機的速度和方向信號，同時利用檢測到的絕對位置信號產(chǎn)生打印脈沖。dsPIC芯片將檢測到的FPGA發(fā)送的速度信號和方向信號用于噴頭小車的控制，使其在繪圖區(qū)域內(nèi)做勻速運動。dsPIC通過驅(qū)動模塊和逆變電路來實現(xiàn)對無刷直流電機的控制，由于噴墨印花設備要求打印時小車運動盡可能勻速（速度在1 m/s左右，小車加速和減速距離控制在20 mm以內(nèi)），所以dsPIC對無刷直流電機進行PID調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The system construction block diagram

3 系統(tǒng)主要硬件電路設計

3.1 功率驅(qū)動電路

功率驅(qū)動電路是電機控制系統(tǒng)的一個重要組成部分。MOSFET驅(qū)動電路既可以由分立器件構(gòu)成，也可以由專用的驅(qū)動器構(gòu)成［3］。本設計選用帶自舉功能的IR2103來驅(qū)動半橋電路，由6管構(gòu)成的三相橋式逆變器，采用3片IR2103驅(qū)動3個橋臂。圖2為用IR2103驅(qū)動其中一相的電路圖。

圖2 驅(qū)動電路一相電路圖Fig.2 A phase circuit diagram of drive circuit

3.2 速度檢測電路

系統(tǒng)使用無刷直流電機自帶增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，其輸出A，B相為差分信號。系統(tǒng)選用26LS32接收差分信號并將信號濾波之后發(fā)送到dsPIC的正交編碼器接口（QIE）模塊引腳QEA和QEB。其電路圖如圖3所示。

3.3 噴頭位置檢測電路

由于噴墨印花設備噴頭是由齒形帶拖動的，因此存在彈性，使加速段、勻速段、減速段的張力不相等；另一方面，在勻速段的速度不是恒定的一個常數(shù)。這些都會引起定位誤差，直接影響到噴頭的精確定位。因此采用在噴頭小車運行路徑上安裝光柵條，在小車上安裝傳感器來達到噴頭的精確定位。位置檢測的電路圖如圖4所示。由于光電解碼器安裝在小車上與FPGA主板距離較遠，因此系統(tǒng)先在小車上的噴頭板上接收位置信號經(jīng)過26LS31進行差分后傳送給主板，主板通過26LS32接受位置信號。

圖3 速度檢測電路Fig.3 Speed detecting circuit

圖4 位置檢測電路Fig.4 Position detecting circuit

4 調(diào)速系統(tǒng)仿真

噴墨印花設備中噴頭小車橫向掃描運動結(jié)構(gòu)如圖5所示。小車電機轉(zhuǎn)軸上裝有一個小同步帶輪（20齒），通過同步帶1與大同步帶輪（110齒）實現(xiàn)減速。與從動輪同軸的二級主動輪（直徑D=42 mm）帶動同步帶2，來拖動噴頭小車（含噴頭總質(zhì)量為5 kg）實現(xiàn)掃描運動。

圖5 噴墨印花設備傳動機構(gòu)簡圖Fig.5 Transmission mechanism diagram of ink-jet printing equipment

根據(jù)圖5所示的傳動系統(tǒng)機構(gòu)圖，可以得出電機理想轉(zhuǎn)速與圖1所示噴頭小車的理想速度之間的關系如下式所示：

電機負載轉(zhuǎn)矩與噴頭小車速度之間的關系如下式所示：

式中：n為電機轉(zhuǎn)速；v為噴頭小車速度；i為減速比；D為二級主動輪直徑；TM為電機負載轉(zhuǎn)矩；T為二級主動輪所需力矩；m為噴頭小車總質(zhì)量；g為重力系數(shù)，取9.8；u為摩擦系數(shù)；a為噴頭小車加速度。

在理想狀態(tài)下，小車加速過程為勻加速，加速度為a=6.7 m/s2，從而得到TM=0.165 N·m。在勻速階段a=0，此時TM=0.037 N·m減速階段為勻減速加速度a=-10 m/s2，此時摩擦力足以提供噴頭小車減速所需的力TM=0.018 N·m。

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及在Matlab的Simulink中建立如圖6所示的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)模型。

圖6 無刷直流電機控制框圖Fig.6 The control block diagram of BLDC motor

系統(tǒng)主電路由直流電源、逆變器（Universal Bridge）和無刷直流電機組成，其中電機模塊的電路及機械方程如下式所示：

模型控制部分由轉(zhuǎn)速給定模塊Ne、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊ASR，PWM脈寬調(diào)制器和控制器單元Controller等組成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊通過對給定速度調(diào)節(jié)，在實際轉(zhuǎn)速與給定速度偏差大于300 r/min時進行PD調(diào)速，否則進行PID調(diào)速，其輸出為脈寬控制信號，并通過脈寬調(diào)制器調(diào)節(jié)脈沖寬度。控制器單元根據(jù)霍耳信號控制逆變器模塊6個開關器件的開關次序。其真值表如表1所示。

表1 控制器單元真值表Tab.1 The truth table of controller

將電機轉(zhuǎn)速作為無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真模型的速度給定，負載轉(zhuǎn)矩作為電機所受負載，通過調(diào)節(jié)速度控制器PID參數(shù)KP=6.2，KI=0.24，KD=0.41得到無刷直流電機轉(zhuǎn)速的實際輸出如圖7所示，由圖7可以看出，電機在加速階段達到勻速時間約為0.18 s，勻速時的轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，加速過程中存在超調(diào)，超調(diào)量為2%。其中一相的電流輸出如圖8所示。

圖7 電機轉(zhuǎn)速輸出Fig.7 The output of motor speed

圖8 電機電流輸出Fig.8 The output of motor current

由圖8得到電機啟動時最大電流約為1.2 A，勻速運轉(zhuǎn)時的電流約為0.4 A。在噴墨印花設備實際安裝過程中，由于機械安裝的誤差可能會使圖5中的同步帶1和同步帶2與理想狀態(tài)有所偏差，這將導致電機負載變大，從而導致電機實際電流的增大。

5 PID調(diào)速及位置控制

5.1 PID控制

PID控制器具有簡單的控制結(jié)構(gòu)。在實際應用中又較易于整定，因此它在工業(yè)過程控制中有著最廣泛的應用［4］。在普通PID控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，從而提高控制精度。但是在實際的控制系統(tǒng)中，存在著飽和特性。當控制變量達到一定值后，系統(tǒng)的輸出變量將不再增長，系統(tǒng)進入飽和區(qū)。

為了克服普通PID算法的上述缺陷，要求系統(tǒng)的控制變量必須限制在某個范圍之內(nèi)，即umin≤u≤umax。在PID算法中，“飽和”主要是由積分項引起，因此需要限制積分作用，使積分積累不能過大，所以本系統(tǒng)選擇采用積分分離法。其算法為

積分分離PID控制算法需要設定積分分離閥ε，當|e(k)|>ε時，即偏差值較大時，僅采用PD控制環(huán)節(jié)，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)較快的響應；當|e(k)|≤ε時，即偏差值比較小時，采用PID控制。經(jīng)過系統(tǒng)的反復試驗測試，確定系統(tǒng)的PID參數(shù)為KP=6.5，KI=0.25，KD=0.4，ε=300。

5.2 位置控制

系統(tǒng)選用的光柵條分辨率為180 DPI，而系統(tǒng)要求的分辨率為720 DPI，所以需要4倍頻的信號以滿足要求。噴頭小車總運行長度為1 600 mm（約63英寸），按照65×2.54 mm，720 DPI計算計數(shù)值為46 800，因此采用16位的可逆計數(shù)器實現(xiàn)。噴頭小車去行程進行遞增計數(shù)，回行程進行遞減計數(shù)。每打印一幅圖片系統(tǒng)都會有確定的打印起始位置和結(jié)束位置來控制，當超出這些位置時系統(tǒng)將改變速度脈沖信號和方向信號，使dsPIC控制電機加速減速以及改變方向。

6 系統(tǒng)結(jié)果分析

圖9為系統(tǒng)測得的電機實際轉(zhuǎn)速，其勻速時的速度在2 560 r/min左右，上升時間為0.1 s，峰值時間為0.16 s，最大超調(diào)量為MP=1%，穩(wěn)態(tài)誤差小于1.8%，停止所用時間為0.1 s。電機啟動及停止具有良好的響應速度，以及穩(wěn)定的運行速度。

圖9 電機實際轉(zhuǎn)速Fig.9 The real output of motor speed

圖10為通過霍耳傳感器測得的無刷直流電機中三相繞組中一相的電流。由圖10可以看出電機啟動時所用時間約為0.15 s，停止所用時間約為0.1 s。經(jīng)過計算得到電機啟動時的峰值電流約為2.4A，勻速運行時的電壓約為0.48A。

圖10 電機一相的電流Fig.10 The real output of a phase current

7 結(jié)論

本文對噴墨印花設備伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要硬件電路進行介紹并對調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，指導對伺服驅(qū)動的調(diào)速系統(tǒng)的設計，通過對實驗測得的數(shù)據(jù)進行分析，驗證了系統(tǒng)仿真結(jié)果。最后將系統(tǒng)應用于寫真機上，經(jīng)過反復試驗驗證，系統(tǒng)工作性能良好，小車運行過程中速度穩(wěn)定，噴頭位置控制為每打1 m長的圖片的累計誤差0.5 mm，完全能夠滿足噴墨印花設備對噴頭速度和位置控制的要求。

［1］ 黃捷建，肖哲之.永磁交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)在噴繪機的應用［J］.微電機，2010，43（9）：97-100.

［2］ Microchip Technology Inc.dsPIC33F電機控制系列數(shù)據(jù)手冊［M］.AZ：Microchip Technology Inc，2007.

［3］ 夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)［M］.北京：科學出版社，2009.

［4］ 張德豐.MATLAB自動控制系統(tǒng)設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

修改稿日期：2015-04-14

Design of Ink-jet Printing Equipment Servo Drive System

HAN Qiang，WANG Qun，YANG Ye-chao
（College of Mechanical，Donghua University，Shanghai201620，China）

Introducedthecompositionofservodrivesysteminink-jetprintingequipmentandanalysedtransmission mechanism in system，acquired Brushless DC motor state to be controlled and load torque to bear.Simulated speed regulating system of the brushless DC motor with Simulink of Matlab，obtained motor speed response figure and three-phase current figure.Designed ink-jet printing equiprnent servo system depend on the information above and introduced PID arithmetic.The real speed and current experiment result of designed system proves the feasibility and reliability of the servo system.

brushless DC motor；simulate；servo drive system

TM331；TP271

A

韓強（1971-），男，博士，副教授，Email：hanq@dhu.edu.cn

2014-08-03