驱动控制系统

摘要：

本文通过对伺服系统各个组成进行分析，并对喷绘机工艺及原理进行研究，设计了一套喷绘机伺服控制系统。系统中通过单片机控制器对喷印速度和位置进行跟踪控制，并且选用速度控制方式实现对伺服电机运动的控制，从而利用了伺服电机系统自带控制模型，实现了喷印过程中变速、匀速运动的平稳性满足了喷绘机系统关于位置控制精确度的要求，性能优越的伺服控制系统保证了喷头的运动平稳性及准确性，同时也提高了喷绘机设备在市场上的竞争力。

1.引言

喷绘机是利用电脑技术，将图像设计与精密喷头控制技术和机电自动化技术相结合的高科技产品，传统的滚筒结构喷绘机工作时，小车带喷头左右移动，同时滚筒带动材料向前移动，能在灯箱布，车身贴，无涂层卷材等广告材料上喷上色彩绚丽的图案目前喷绘机的送布电机和小车板电机主要采用苴流伺服电机和交流伺服电机。但随着产品的升级，客户在喷绘机高速能力，过载能力等方向提出更高的要求，特别是喷绘机越来越多出口欧美的需要，直流伺服驱动方案已经不能满足某些客户要求，适应这种需要，我们开发了新的永磁交流伺服驱动系统(驱动器Acs806+电机AcM602V36)来满足客户的这种较高需求。本文重点论述用于3.2m幅面，8喷头的喷绘机交流伺服驱动系统的原理及特点。

喷绘机按幅面可分为两种：大幅面喷绘机和超大幅面喷绘机大幅面喷绘机其幅宽在一米左右，利用染料性（DyEBASED）墨水喷绘，分辨率较高（可达600-1000DPI），可喷绘至高光相纸产生相片效果。但由于受油墨性能限制，产品不防水、不防紫外线，必须后期覆膜或涂层，适用于效果图及小样等。超大幅面喷绘机的幅宽在3米以上，它利用颜料性（PIGMENTBASED）油墨喷绘，主要面对户外巨幅广告市场，分辨率能满足户外要求（通常24-70DPI即可完全满足户外需求）。由于采用的喷绘技术及油墨的不同，对承印物的要求也不同。有些喷绘机限定承印物品牌及类型，有些不限定。有些喷绘机要求后期涂层，有些喷绘机的产品可直接应用于户外。另外，由于颜料油墨与染料油墨的色域不同，颜料油墨的色域比染料油墨的色域要窄得多，故采用颜料油墨的超大幅面喷绘机对色彩的真实再现性在一段时期内还达不到小型写真机的水平。

伺服系统是自动控制系统的重要组成部分，它的性能优劣直接决定与影响着自动控制系统的快速性、稳定性和精确性，机、电、液的组合成为目前工业自动化的主要技术基础。伺服控制系统用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。由于伺服电机响应快，速度高，并且定位精度高的特点。所以很多广告客户最终选择喷绘。为迎合国内市场，部分生产厂家开始在引进国外先进技术的基础上研发生产自主品牌的喷绘机。

2.喷绘机工艺

电脑雕刻机和喷绘机都是大型喷墨打印机。喷绘机按工作原理可分为固体喷墨和液体喷墨两种，当今主流的喷墨打印机为液体喷绘机打印机。电脑雕刻喷墨方式可分为雕刻机气泡式与液体压电式。气泡技术是通过加热喷嘴，使墨水产生气泡，喷到打印介质上的。墨水在高温下易发生化学变化，性质不稳定，所以打出的色彩真实性就会受到一定程度的影响；另一方面由于印花机墨水是通过气泡喷出的，刻字机墨水微粒的方向性与体积大小不好掌握，写真机打印线条边缘容易参差不齐，一定程度的影响了打印质量。压电式喷墨技术，墨水是由一个和热感应式喷墨技术类似的喷嘴所喷出，但是墨滴的形成方式是藉由缩小墨水喷出的电脑雕刻机区域来形成。而喷出区域的缩小，是藉由施加电压到喷出区内一个或多个压电板来控制的。由于微压电打印头技术是利用晶体加压时放电的特性，在常温状态下稳定的将墨水喷出。它有着对墨滴控制能力强的特点，容易实现1440dpi的高精度打印质量，且微压电喷墨时无需加热，喷绘机墨水就不会因受热而发生化学变化，故大大降低了对墨水的要求。

喷绘机是运用一种鸣PZT的半导体压电晶体资料，在它上面制造一系列的极微细小的通道，再由它发生的机械效应将墨点激射而出。在PZT的出产入程中，它经由极性化处置：物料的原子电荷被强行按指定的方向排列。这是一个非常要害的特性，因为当外接电场效应附加在经由极性化的资料上时，依据它的方向定义，它会令PZT发生一个物理性的变形，而就是这种现像，授于了一个喷射的才能。送布电机要求能够正反转，进布和退布速度保持平稳，在停机时自动锁死，防止布滑落。小车板电机要求在移动过程中稳定无振动，小车板静止时保持力度足够大。

对于喷头轴和进布轴伺服性能的要求主要是伺服系统有较高的动态响应及较高的定位精度。全数字交流伺服驱动器有着高速度频率响应，具有共振抑制功能，可以精确调谐，消除震动；控制精度可以达到1个脉冲，最大的输入频率可以达到250Kpps，这都很好的保证了进布轴所需驱动的要求。对于主轴伺服要求有快速的启停特性和稳定的速度控制，全数字交流伺服驱动器具有开放式的参数调整接口，可以根据用户的使用情况进行参数的设置。

3.喷绘机原理

如图1所示为喷绘机工作原理图。

3.1驱动器

伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

驱动器是一个驱动放大元件，只是把上位机（如运动控制卡）发来的一些信号进行放大，以致使电机可以运转起来。MAC系列运动控制卡是基于总线的电机运动控制卡。采用专用控制芯片为核心器件，输入输出信号均为光电隔离，可与各种类型的步进电机驱动器连接，驱动步进电机，构成高精度位置控制系统或调速系统。可与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机界面的管理和其它管理工作；而控制卡负责运动控制方面的所有细节。用户通过我们提供的动态链接库可方便快速的开发出自己需要的运动控制功能。图2为伺服驱动器结构图。

3.2PC总线

放开式系统动态控制器的核心是DSP，它具有运算速度快，支持复杂运动算法的特点，可以满足高精度运动控制的要求，因此，以DSP为核心的多轴动态控制卡越来越广泛地应用在运动控制系统中，将多轴动态控制卡插在PC机扩展槽上，就可以组成高精度运动控制系统，位置反馈信号的采集、闭环控制计算及控制量的输出均由动态控制卡完成，极大的提高了运算速度和控制响应速度，将工控机的资源从烦琐的数据采集和计算中解决出来，从而可以更好的实施整个控制系统的管理。

3.3运动控制卡

运动控制卡是一种上位控制单元，可以控制伺服电机，是基于PC总线，利用高性能微处理器（如DSP）及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。运动控制卡不仅要发送脉冲给电机驱动器，同时接受伺服电机编码器反馈的脉冲数，还接受光栅尺反馈信号，进而控制伺服电机的转速。伺服驱动器既要与运动控制卡有数据线连接，其本身还要连接插座电源。

3.4编码器

编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。

4.伺服控制系统设计

自动控制系统对伺服电机的基本要求：

（1）无“自转”现象。即要求控制电机在有控制信号时迅速转动，而当控制信号消失时立即停止转动，控制信号消失后，电机仍然转动的现象称为自转，自动控制系统不允许有“自转”现象。

（2）空载始动电压低。电机空载时，转子从静止到连续转动的最小控制电压称为始动电压，始动电压越小，电机的灵敏度越高。

（3）具有线性的机械特性和调节特性。线性的机械特性和调节特性有利于提高系统的控制精度，能在宽广的范围内平滑稳定地调速。

（4）快速响应性好。即要求电机的机电时间常数要小，堵转转矩要大，转动惯量要小，转速能随控制电压的变化而迅速变化。

机电一体化的伺服控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。

比较环节：比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。

控制器：控制器通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。

执行环节：执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等。

被控对象：机械参数量包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。

检测环节：检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。

5.结论

本文设计的伺服控制系统性能优越保证了喷头的运动平稳性及准确性。在运行效果上完全可以和进口伺服系统媲美，在性价比上具有较高的优越性。此喷绘机充分结合了伺服的响应快、定位精确、运行平稳等优点。经过客户的试用，喷绘出来的图案都符合客户要求，各项指标都达到要求，同时还提高了生产效率，使客户达到最大满意度。此设备向客户充分展示了伺服控制系统的优势，同时也提高了喷绘机设备在市场上的竞争力。

来源：《伺服与运动控制》第五期

文/宁海机械有限公司 姜学明

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