（机械制造及其自动化专业论文）基于喷墨制网机的机电控制系统.pdf

硕十学位论文 摘要 印花产品时尚性强、流行周期短、可选择性大，属个性化的艺术+ 技术产品。印花 业发展和相关产业关联度高，难度较其他产业大被视为纺织业的“瓶颈”产业。产品的 创新能力差，开发周期长成为我国与先进国家间的主要差距，开发具有自主知识产权的 自动制网技术就是在这种时代背景下产生的。 本文在综述了基于喷墨制网机的机电控制系统的总体控制框架，并重点讨论了在矢 量控制方法的基础上，一套适用于喷墨制网机的永磁同步电机全数字伺服系统的设计方 案。论文介绍了以数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的硬件构成，对电机电流 信号反馈电路、转子位置与转速信号反馈电路、主电路及其保护电路、用户操作模块的 设计作了详细阐述。本伺服系统中的永磁同步电机采用i d = 0 的矢量控制策略，由 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的程序实现。论文具体讨论了电机启动、矢量控制、正弦脉宽调制波 的输出、故障保护停机及系统通信的软件实现方法。仿真结果表明，采用i d = o 的矢 量控制方法实现了对永磁同步电机的解耦控制，并馒系统具有良好的动、静态性能。数 字信号处理器的应用增强了交流伺服系统的适应性，可广泛地应用于数控机床、工业机 器人、电动汽车、家用电器等多种工业产品中。 关键词：印花，喷墨制网机，交流伺服系统，永磁同步电机，数字信号处理器， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 基丁喷墨制网机的机电控制系统 a b s t r a c t f a s h i o n 、s h o r tp o p u l a rt i m ea n df l e x i b l es e l e c t i o na r ci m p o r t a n tf e a t u r e so ft h ed r i n t s w h i c hb e l o n g st ot h et e x t i l eo fi n d i v i d u a la n + t e c l l l l o i o g ya t m o s p h e r e f o rt h ed i m c u l t ya n d t h ec o n j u n c t i o no f o 幽e rd i f r e r e n ti n d u s t r i e s ，t 1 1 ep r 主m i n gi n d u s t r yw a sr e g a r d e da sb o t t l e - n e c k o fm ed y e i n gi n d u s t r y c o m p a r e d 、i ma d v a r i c e dc o u n t r i e s ，t h el o n g1 e a d - t i m e 舶md e s i g 【lt o p r o d u c t i o na n d 也el a c ko fc r e a t i v ea b i l i t yh a v eb e c o m e 也em a i np r o b l e m si n 山et e x t i l e i n d u s t r yo fc h i n a s ot h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cs c r e e nm a k i n gm a c h i n e so fs e l fo w n e d j n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o m ei n t ob e i n ga g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d t h i sp a p e rp r c s e n t e dad e s i g ns c h e m eo ft h ew h o i l ym e c h a j l i c a la 1 1 de l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e m ，胁h e n n o r e ，i td i s c u s s 廿l ed i g i t a lp m s ms e r v os y s t e mf o ri n k j e ts c r e e ne n 盯a v e r b a s e do nt h ev e c t o rc o n t r 0 1m e t h o d sf o rp m s m t h ec o r eh a r d w a r co ft l es e r v oc o n t r o l s y s 把mi st h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e t a i l so f s o m eh a r d w a r ep r o b l e m s ，i n c l u d i n gt h ef e e d b a c kc i r c u i t sf o rm o t o rc u r r e ms i g n a l ，r o t o r p o s i t i o na n dr o t a t i n gs p e e ds i g n a l ，t h ep 印e ra l s op r e s e i l t e dt h em a i nc i r c u i ta n di t sp r o t e c t i o n c i r c u i t ，0 p e r a t i n gs y s t e mm o d l d ea i l d s oo n t h ei d = oc o n t r o lw a s a p p i i e do nt h ep m s m s e r v os y s t e m 吐l i d u 曲t h et m s 3 0 l f 2 4 0 7 as o 胁a r e s o m ep r o b l e m ss u c ha ss t a r t u po ft h e m o t o lv e c t o rc o n t m l ，s p w mo u t p u t ，f a u l tp r o t e c t i o nc l o s e d o w n ，s y s t e mc o m m u n i c a t i o n ， w e r ed i s c u s s e di nm i sp a p e le x p e r i m e n t a ia n ds 证1 u l a t i o nr e s u i t sd e i n o n s 订a t et h a ti d = o c o n 订o lm e t h o dr e a l i z et h ed e c o u p l i n gc o n t r o lo fp m s m ，a n dp r o v i d et h es y s t e me x c e l l e m d y n 锄i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e b ym e a l l so fs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e ra 1 1 a l y z e dt h ee 腩c t so f c u r r e n tf e e d b a c kf l l t e ro nt h ep e r f o n n a n c eo fs e r v os y s t e m a st h ea p p l i c a 士i o no ft h ed i g i t a l s i g n a lp m c e s s o r ，a cs e r v os y s t e mi sw i d e l y 印p l i e di nv 撕o u si n d u s t r i a lp r o “c t s ，s u c ha s n cm a c h i n et o o i ，i n d u s t r 瑚r o b o t ，e l e c 仃i cv e l l i c l e ，h o u s e h o l d 印p a r a t u se t cf o r t h ei m p r o v e d a d a p t a b i l i t y k e y w o r d ：p r i n t i n g ，i n k j e ts c r e e ne r 垮a v e r a cs e r v os y s t e m ，p m s m ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 鼾其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：币字职 日期：如6 年朋f 旷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期： 揶6 年朔缈f 1 日期：扣。詹 月【q 【 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 印花行业的历史回顾和产业现状 2 0 世纪5 0 年代至7 0 年代，我国处在各种物资匮乏和风云多变的年代，国内纺织印染 以中小企业居多，规模厂家少，有花布生产能力的厂家屈指可数，且大多集中于上海、青岛、 天津一带。辊筒印花机一统天下，年产花布4 1 0 亿米。工艺技术、操作模式沿用同本、 英国；印花刮刀锉磨以只本式、英国式为技术标准；某些染化料、辅料需靠进口；花筒制作 以手工缩小雕刻为主、照相电子雕刻为辅。产品在1 0 0 c m 内。品种大多是纯棉印花平细 布小花大花吡叽，印花人棉、起绒布，印花鞋面灯芯绒等。除少量1 9 6 t e x 1 6 4 t e x ( 3 0 3 6 ) 跳鲤和银河等品牌印花细布、起绒布、果子花布和手工印花丝织品出口外，大多为内销。 一个花型1 3 个色位，起定量一般约几万米到几十万米。工艺采用还原、可溶性还原、 不溶性偶氮、直接、酸性染料、涂料、活性染料进行直接印花，凡拉明蓝防士林拔染印花。 进入2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，国家在五六十年代建设的年产l 亿米以上的北京、 西安、郑州、石家庄四大印染厂相继正常投产；改革开放中，各省市又新建一批印染厂，使 印花产业得到空前的扩展。浙江、江苏、山东、河北、广东、福建等省市的规模、数量， 远远超过了上海、天津。浙江、江苏、山东更为突出，其花布产量占全国近8 0 。全国 主要印花设备增至1 0 4 0 台0 1 ，其中，辊筒印花机1 9 7 台，平网印花机4 3 3 台，2 0 0 0 年圆网 印花机3 2 4 台，印花布产量达2 0 多亿米。织物幅宽向1 1 2 c m 以上宽幅发展，品种除纯棉 外，新增棉混纺、涤棉、长丝印花产品。产品趋向小批量、多花色、快交货发展，一个花 样五个以上配色，数量一般在1 0 0 0 0 m 左右。通过对7 0 年代引进的圆、平网印花装备的 不断改进完善和国产多种类型的配套材料问世，摆脱了国外技术、材料的约束。如山东 e m t 经济型镍网的技术指标均达到当前国际先进第三代n o v a 型要求：国产j r l 0 1 系列 圆网感光材料以其质量、性能、价格的优势深受国内外市场欢迎，取代了荷兰g r l 0 1 感 光材料，并走出国门，得到东南亚国家同行的青睐。镍网制作和感光胶两大关键技术的突 破，加快了圆网印花技术的发展速度，使之占花布生产总量6 0 以上。鉴于圆、平网印花 技术装备性能和合成纤维织物发展，以涂料、活性、分散为主流工艺，应用直接印花。由 于织物、品种、规格变化，大大拓展了印花产品的使用范围。 近年来，我国印染业得到了前所未有的发展。规模以上企业已达1 3 7 0 家，产量从1 9 9 5 年1 3 6 4 8 亿米增加至2 0 0 3 年2 5 1 3 2 亿米，约占全球印染布总量3 0 ；印染布主要六大类 产品出口7 5 7 8 亿米，同比增长3 5 3 0 。印花产业依托大行业的大好形势和自身产业不 断整合、改造、技术进步，产业整体水平得到快速提升，产量、质量、花色品种、产品结 构均取得了令人瞩目的成绩。据2 0 0 3 年统计，我国拥有各种印花设备2 0 0 0 余台，其中辊 简印花机1 4 5 1 7 4 台，圆网印花机6 1 0 6 3 0 台，平网印花机1 3 7 7 台。除辊筒印花机外， 7 0 圆、平网来自荷兰、瑞士、奥地利、意大利、德国、日本等先进国家和国内印染机 械制造佼佼者如上印机、黄石纺机、浙江印机等厂家。具有如此先进数量设各的产能，使 我国花布产量年年创新高，2 0 0 4 年产8 l 亿米，同比增长3 3 。外贸出口呈良好趋势， 基丁- 喷墨制网机的机电控制系统 2 0 0 4 年出口7 4 亿米，目前我国花布产量占全球3 0 以上，超过号称花布大国的印度，跃 居全球首位，成为世界花布生产大国。 在花色品种上，随着纺织业和相关设备、化工等行业的发展，扩大了印花工艺设计，为 产品开发创造了条件。拓展了在化纤、真丝、毛纺、麻纺，机织、针织、无纺等不同纤维 原料的宽幅、特宽幅纯纺、混纺、并纱、交织织物上直接印、防拔染、半防半拔、罩印 和同类染料防拔染、牛仔布拔染及不同染料交叉工艺；并利用新材料开发具有不同功能、 风格的特殊印花产品，如立体发泡、金银粉、珠光、钻石、变色、香味、隐形等用途各异 的印化产品。尤其近几年采用先进的c a d c a m 系统和电脑分色、测配色技术：激光、 喷蜡、喷墨制网技术；自动称料、调浆、数码喷射、转移、植绒印花等，使印花产品多样 化、多元化。在设备上配备先进的p l c 触摸屏，在线检测监控，减轻了劳动强度，优化了生 产环境，有利于质量控制，提高了生产重现性。此外，古老传统的手工蜡防花布在技术进步 和设备升级下，从蓝白花与机械仿蜡防上升到机械真蜡仿蓝白花和多套彩色蜡防花布，很 受非洲市场欢迎，近几年出口量大增，在我国印花出口品种中一枝独秀。 在产品结构上，开发了各种新纤维织物印花工艺技术，提高了产品的质量和档次，并在 迎合各类衣着用布的同时，开拓了家纺用布市场。我国服装、家纺、产业用布三者之比从 8 0 ：1 2 ：8 发展为5 25 ：3 3 ：1 4 5 。随着人民生活水平的提高、消费结构的变化和区域调整 城镇化进程的加快，更大地激发了家用纺织品市场迅速崛起，生产厂家达到4 0 0 0 余家。业 内人士分析，原以提花织造为主，而今以印花占7 8 的家纺产品，将与服饰平分秋色且 有盖过衣着用量势头，成为印花产业经济增长的亮点。 进入全球贸易自由化无配额的时代，市场竞争越来越激烈。当前，我国纺织产业的水 平f 如专业人士所概括的“一流设备，二流产品，三流价格”。具体反映在产业整体水平低、 创新能力薄弱，产品开发迟缓。先进国家从设计到生产的周期仅2 5 天左右，我们需1 8 0 2 0 0 天。缺乏拥有自主知识产权的品牌。印花产品销往发达国家少，主要流向赞比亚、贝 宁、肯尼砸、苏丹、伊朗、孟加拉、缅甸等不发达国家和发展中国家。出口平均单价据 2 0 0 l 、2 0 0 2 、2 0 0 3 年统计，纯棉、棉混纺花布分别为o 7 9 美元米、0 6 9 美元米，比国内 同品种的染色布低0 3 0 4 美元，米，比进口同类产品平均价格低1 1 7 美元米。在当 前崇尚创新，注重质量和档次，讲究品牌的时代代，企业竞争力不强，就有被挤出市场的危 机，。 1 2 计算机自动制网设备的发展概况 计算机自动制网设备是在印花c a d 基础上发展起来的一种不需要制片( f i l m ) 就可 直接制网的新型制删设备。由于它省略了制片这一环节，从而使制网效率、制网精度( 解 决了传统制网环节中的接版问题) 大大提高。制网设备的发展经历了三个历程1 ： 第一代：以荷兰s t o r k 为代表的激光制网技术： 第二代：以德国c s t 、瑞士l o s h e r 为代表的喷蜡制网技术： 第三代：以瑞士烈烈d 、中国杭州宏华为代表的喷墨制网技术。 1 2 1 激光制网 硕士学位论文 激光制网技术与喷蜡、喷墨制网技术的工作原理有着本质的区别。激光制网技术是 s t o r k 公司2 0 世纪8 0 年代末推出的，它是用热激光烧蚀气化化学胶，无需曝光、显 影和冲网等工序而直接制网。但它需要强大的激光能源，采用二氧化碳或大功率固体激 光器才能满足要求。它具有如下特征： ( 1 ) 激光器必须采用冷却装置，体积非常庞大，能量转换率低，日常耗电量较高。 ( 2 ) 由于激光在空气中会发生散射，因此需要惰性环境来保护。一般采用液氮、 氦、氖等惰性气体来提供惰性环境。 ( 3 ) 直接烧蚀气化化学胶会产生大量有毒气体，污染环境，损害操作人员的身体 健康：热激光功率大，肉眼又不可见，也容易对操作人员造成危险。 ( 4 ) 高能量的激光器一般通过脉冲方式控制激光开关，所以打点频率低，制网速 度慢。 ( 5 ) 二氧化碳激光发生器价格昂贵，而且易漏气和损坏，功率较高的还需要冷却 装置，维护非常复杂，需要专业人员维护。 ( 6 ) 对网坯的要求非常高，s t o r k 的激光制网机一般需要用s t o r k 网和s t o r k 感光胶。 由于激光制网具有以上特征，造成其使用成本非常高，再加上一次性投资大，严重 制约了它的发展。国内使用这种设备的有常州东风印染厂和邢台方圆印染厂。可以说， 热激光型的激光制网设备已经从市场上退下来了。 1 2 2 喷蜡制网 由于激光制网受诸多因素限制，业内人士及有关厂商和专家一直在寻求一种能解决 制网的诸多问题的方法。2 0 世纪9 0 年代中期，人们把喷蜡打印技术应用于制网设备。 喷蜡技术当初以美国t e x t r o n ，f a r g o 两家公司的技术为代表，技术上较成熟，目 前各喷蜡制网设备的喷头技术都是从这两家公司引进。喷蜡制网通过计算机，先将c a d 处理好的单色稿图像打印在涂好感光胶的网上，然后通过曝光、显影和冲网等工序来完 成制网。 喷蜡制网的核心技术是喷蜡技术，学术上称其工作原理为“热熔式d o d ”，即蜡块 在常温下呈固体状，加热熔化成液体，经过压电式喷蜡头喷出，该技术是t e x t r o n i x 的专利技术。但是，喷蜡制网在使用过程中也存在不少问题： 首先，在美国h p 、r 本c a n o n ，e p s o n 等公司的大力推动下，喷墨技术飞速发展并 迅速取代喷蜡技术成为主流技术。喷蜡技术的研究越走越窄，f a r g o 公司已经停止了 喷蜡技术的研究，只有s p e c 低公司还在制造喷蜡头。但有资料表明，s p e c t r a 公 司也已经把研发重点转移到喷墨技术的研制上，并已推出了自己品牌的喷墨打印机。据 报道，在未来一两年内，s p e c t r a 公司将不再生产喷蜡头。因此，喷蜡制网面临了喷 蜡头短缺的尴尬局面。 其次，喷蜡制网使用成本相比激光制网要低，但其实际费用仍不菲： ( 1 ) 属于耗材的喷蜡头容易堵塞，正常使用情况下需一年更换一次，每只喷头的价 格大约在35 0 0 美元左右。 基于喷墨制网机的机电控制系统 ( 2 ) 喷蜡制网采用的是进口蜡块，价格较高，约为1 5 0 元m 2 ，目前还没有国产蜡。 据悉，己有国产蜡问世，但其质量尚不可知，若质量差，将可能导致喷头的寿命大幅度 降低。 ( 3 ) 由于蜡块是不溶于水的固体，在冲网时，蜡块的去除非常困难。一般先用温水 渍泡3 0 4 0m i n ，然后用水从网的里面往外冲。由于蜡块漂浮在水中，有时会造成网的 二次沾污。 ( 4 ) 为了保持一个热环境，而不使蜡块在机器的管道中发生固化，必须2 4h 开机， 而且工作之前，机器需预热1 2h 。 ( 5 ) 设备的维护必须在开机状态下进行，既不方便又很危险。 ( 6 ) 蜡块、喷蜡头独家生产，用户材料和维修成本高。 基于以上原因，瑞士l u s h e r 公司已经停止生产喷蜡制网设备，德国c s t 公司推 出了新一代喷墨制网设备，以适应新的市场需求。喷墨制网技术随着喷墨技术的飞速发 展，已成为主流制网技术。 1 2 3 喷墨制网 喷墨技术虽已成为主流技术，但由于在印花制网领域的应用比较晚，所以工厂使用 喷墨制网暂时还不多。然而，喷墨制网在未来几年内，将会取代喷蜡制网。 喷墨技术的喷头工作原理与喷蜡的热熔式d o d 有些区别，学术上称为“冷微滴式 d o d ”，) 墨水本身是一种液体，不需要加热熔化，而是直接经微压电式喷头喷出。在喷墨 制网设备上使用的喷头，其物理间距精度一般为1 8 0 d p i ，3 6 0d p i ，而喷孔的直径则为7 2 0 d p i ，1 0 8 0d p i ，通过数学插值法，可以在介质上打印出3 6 0d p i ，7 2 0d p i ，1 4 4 0d p i 的高精度。 因喷孔很小，使得喷出来的墨滴体积可达5 1 0 _ 1 2 l 1 0 1 0 _ 1 2 l ，为喷蜡的1 1 0 左右， 而且提高喷头精度，还有很大空间。 墨水是一种极易溶于水的极性材料，在空气中容易干燥。制网用感光胶是一种非极 性材料，由于表面张力的作用，墨滴喷在感光胶上之后会产生收缩，不会渗玎，从而保 证了细线条的精度( 这里要说明的是蜡喷在感光胶上后产生收缩是因为物态转换的缘 故，而不是冈为表而张力。由于蜡的极性与感光胶一样，实际上蜡在感光胶上表面张力 会导致蜡滴的扩散，只是因为前一种作用力起着主要作用，所以整体上蜡在感光胶上最 终收缩) 。墨滴通过分子间的作用力( 范德华力) 与感光胶紧紧粘在一块，不会发生人们所 想象的墨滴在感光胶上流动的现象。墨水是一种强紫外线遮光剂，遮光性好，目前采用 的感光胶大多为紫外线感光胶，可在明室操作。墨水可以迅速溶于水，使得后面的冲网 工序非常方便。 喷墨制网设备所采用的喷墨头一般都是美国h p ，日本c a n o n ，e p s o n 的专利产品。比 较喷墨头与喷蜡头的特征如表l 所示。 由表1 1 知，喷墨制网的使用成本比喷蜡制网低得多。且喷墨头的发展在h p 等国际大 公司的推动下，会发展得更快。h p 公司已经率先在市场上推出了“无墨滴”打印技术 ( 24 0 0d p i 超高精度打印技术) 。另外，喷嘴的数量和喷射频率是提高制网速度的重要因 素：喷嘴数量越多，一次喷印的宽度就越宽；喷射频率越快，喷印相同的宽度所需要的时 硕士学位论文 间就越短。提高喷墨技术中喷射频率的空间很大，现在已经推出了4 0 k h 的喷头，而喷 蜡头的喷射频率已经不可能进一步提高了。现在喷墨制网设备的制网速度比喷蜡制网j 决的重要原因( 喷嘴数量和喷射频率) ，也是喷蜡技术即将退出市场的一个重要原因。 表1 1 喷墨头和喷蜡头比较 喷墨头 喷蜡头 压电方式冷微滴式d o d热熔式d o d 供货产家 c a l l o l l 】 i p 忸p s o n 等美国s p e c t r a 使用寿命1 0 1 2 个月 1 0 1 2 个月 价格1 8 0 美元3 5 0 0 美元 喷嘴数量 3 8 4 个1 6 0 个 最小喷点体积5 1 0 “l 3 0 l o 一1 2 l 喷射频率3 2 4 k h z1 2 2 0 k h z 墨水消耗约2 0 元m 21 5 0 元m 2 综上所述，喷墨制网设备具有如下优势： ( 1 ) 它是基于喷墨打印技术发展起来的，是制网设备发展的趋势和主流。 ( 2 ) 使用成本低，一般低于2 0 元m 2 ( 3 ) 制网速度快，一般可达6 1 2m i i l m 2 ( 1 8 0 3 6 0d p i 条件下使用) 。 ( 4 ) 喷头精度高( 最高可达14 4 0d p i ) ；价格便宜( 1 8 0 美元个) 。 由于喷墨制网技术的先进性和顺应发展潮流，荷兰s t o r k 和英国z e d c o 公司也 已经开始研制喷墨制网设备，表1 2 比较了喷蜡制网与喷墨制网技术。 基于喷墨制网机的机电控制系统 表1 2 喷蜡制网和喷墨制网的比较 喷墨制网喷蜡制网 晶体微压电式 微压电式 喷头工作方式 ( 冷微滴d o d )( 热熔式d o d ) 制网精度d p i 3 6 0 7 2 0 14 4 02 2 8 4 5 6 9 1 纠1 0 1 6 喷嘴数量个3 8 41 6 0 喷射频率l ( h z 3 2 4 1 2 2 0 制网速度，m i n ( m 2 ) 1 6 8 消耗品用量儋( m 2 ) 。 2 05 0 消耗品价格，元k 一 1 0 0 03 0 0 0 制网费用元( m 2 ) 一1 约2 0 1 5 0 喷头寿命月 1 0 1 21 0 1 2 喷头价格美元个。18 03 5 0 0 开机准备开机即用预热l 2 h 热水先泡4 0 m i n 冲网方式 直接用水外冲即可 用水从罩往外冲网 曝光方式在线式紫外线感光紫外线感光 环境 温度 1 8 2 51 7 2 5 条件相埘湿 6 0 8 03 0 7 5 最小喷点体积l5 1 0 1 23 0 x1 0 1 2 文件格式 t i f f 、p c x 、e p s 、 t i f f 1 3 各种应用于制网机的电机 1 3 1 交流异步电机 交流异步电机具有结构简单、运行可靠、制造使用维修方便、价格便宜等优点，在 工业及家用电器中，作为机械装置的动力，通常被广泛应用于开环恒速的场合。 近年来，由于大功率电力电子器件和大规模集成电路应用于复杂交流驱动器的发 展，使得交流异步电机的变频调速技术日益成熟，其性能甚至可以和直流电机调速相媲 美。 1 3 2 永磁同步伺服电机 目前，在中小功率电机应用领域，特别是在一些要求高转速、高精度、高动态性能 硕十学位论文 的场合，以永磁同步电机为代表的交流伺服系统已显示出了明显的优势，并得到了越来 越广泛的应用。下面简要介绍一下永磁同步电机的性能及其控制系统的特点。 永磁同步电机( 简称永磁同步电机，即p m s m ) 的气隙磁密通常设计为正弦波或 接近正弦波，其工作原理由交流电机矢量控制变频调速发展而来，采用三相导通控制策 略，由f 弦电流驱动，转矩波动较小，常用于高性能的伺服系统中。永磁同步电机伺服 系统的控制方法相对比较复杂，一般需要高性能的控制器实现。随着微电子技术的高速 发展，各种高性能微处理器相继问世，它们的应用极大地提高了伺服系统的控制精度和 可靠性。 1 3 3 步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲 信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 即步进角) 。可以通过控 制脉冲个数来控制角位移量，从而达到定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步迸电机可以直接接收数字量，步迸 角一般为0 3 6 0 9 0 。步进电机控制方法简单，一股采用开环控制就能实现精度比较高 的位罨控制，且不存在位置误差积累。其主要缺点之一是低速运转时的振动和噪声较大， 般采用带有细分功能的驱动器加以抑制。细分技术的另一个功能是提高电机的定位精 度。比如对于步进角为1 8 。的两相混合式步迸电机，如果细分驱动器的细分数设置为 4 ，那么电机的运转分辨率为每个脉冲o 4 5 0 ，但电机的运转精度能否达到或接近0 4 5 。， 还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。在提高细分电流的控制精度方 面，人们提出了很多非常有效的方法。比如定频脉宽调制可变细分法【l 、曲线拟合细分 电流法 1 5 】、i o 实验曲线设计法【l6 】、“电流矢量恒幅均匀旋转”细分法1 1 ”等等。步进电 机的另一个缺点是响应速度比较慢( 一般l o o 2 5 0 步，秒) ，高速运转时可能出现失步。 步进电机加、减速的动态响应时间也比较长，启停过程中需要逐渐改变控制脉冲的频率， 这样的动态特性明显不如伺服电机。 1 4 发展喷墨制网机的意义 印花产品是时尚性强，流行周期短，可选择性大，属于个性化的艺术加技术的纺织 品；印花业的发展和相关行业关联度高，难度较其他产业大，被视为纺织业的瓶颈产业。 印花产业链中产业涉及面广，工序多，主要有五个技术环节：图案设计、制网技术、印 坯处理、工艺设计、操作技术，对其中的图案设计、制网技术环节起到有效的提升作用。 从而有效缩短产品从设计到生产的周期，并提高企业的创新能力，使印花产品个性化、 多元化。另外喷墨制网技术带来的制网精度的提高，减少或免去以往反复试样的工作， 为推行清洁生产、有效节约能源和带动了产品的结构调整提供了有力的技术保障。 基丁喷墨制网机的机电控制系统 1 5 论文的主要内容 论文介缁印花技术的发展和工艺流程，明确，计算机制网技术在印花行业的重要地 位、发展现状和发展趋向，构建了基于喷墨制网机的机电控制系统，便于姒模块化的思 想来丌展研究和提高制网技术的水平。论文的核心内容是通过建立永磁同步电机随转子 旋转的d 、q 、0 坐标系统，并在这一坐标系统的基础上分析了电机矢量控制过程小的 基本电磁关系，分析ri d = 0 控制、最人转矩电流控制及弱磁控制等矢量控制方法的 特点，设汁一套适用于喷墨制网机的永磁同步电机伺月系统，父现喷头运动速度和位胃 的伺服控制。论文分析了永磁同步电机及其矢量控制方法的数学模型，介绍了喷头交流 伺服系统的硬件构成及基于矢量控制方法的软件设计。伺服系统采用了高性能数字信号 处理器、智能功率模块及传感器，综合了电机控制、微电子及电力电子技术，具有过压、 欠压、过流保护等功能。系统的控制界血由工业p c 、键盘和液晶显示构成：通过工、l k p c 的打印程序控制伺服电机的位置、转速调竹，以及主轴电机的转速；通过键盘没定 主轴到尾架制的距离来控制被制网的宽度；通过液晶显示监视系统的运行状态和指令状 态。 硕士学位论文 第二章喷墨制网机的机电控制系统概述 喷墨制网机的机电控制系统主要由喷头交流伺服控制系统、主轴机电传动系统、尾 架机电传动系统、喷头控制系统等部分组成的，它们间由一台工业p c 完成相互协调工 作。 2 1 工业p c 概述 8 0 年代，自i b m 公司推出个人计算机( p c ) 以后的十几年来，i b m - p c 以惊人的 速度发展，由于其容量大，速度快，软件产品类型多样，品种齐全，软硬件开发环境和 有关工具非常丰富，加上其良好的用户界面，有图形显示功能等，因而p c 机对工业控 制领域的吸引力是巨大的。最初p c 机在工业自动化工程自动化领域的应用，是在p c 机的扩展槽中插入数据采集板，对工业现场信号进行采集与处理，同时在p c 机的外表 面加上厚厚的保护壳以防电磁干扰，在p c 机内部加冷却风扇以降低温度等，但这些措 施都没能从根本上解决抗干扰和稳定性、可靠性问题。 表2 1 流行的计算机总线性能一览表 名称 p c _ ) ( t i s a ( p c a t ) e i s as t dp c i 适用机型 8 0 8 6 个人8 0 2 8 6 、3 8 6 、i b m 系列z 8 0 、v 2 0 、 p 5 个人机、 计算机4 8 6 系列个3 8 6 、4 8 6 、v 4 0 i b m 系p o w e rp c 、 人计算机5 8 6 计算机列机 a l p h a 工作 站 最大传输 4 m b s1 6 m b s3 3 m b s2 m b s1 3 3 m b s 总线宽度8 位 1 6 位3 2 位8 位 3 2 位 总线工作 4m h z8m h z 8 - 3 3 m h z 2m h zo 3 3 m 频率 州步方式同步 同步 件裁方式集中集中集中集中 逻辑序列边缘敏感边缘敏感边缘敏感边缘敏感 地址宽度2 02 43 22 03 2 6 4 负载能力 886 无限制 3 信号线数 1 4 34 9 6 4 位扩不可不可 无规定 不可可 展 自动配置无无无可 并放工作可 非多路复非多路复非多路复用非多路复用非多路复用多路复用 用 用 后来，工控机的制造商根据工业现场控制的要求，在p c 机上做出了艰苦的努力 基于喷墨制网机的机电控制系统 从结构设计技术工艺上采取各种措施，制造出专门用于工业现场控制的工业p c 机， 使其可以抵抗恶劣、复杂的工业现场环境，最终获得了巨大的成功。进入9 0 年代，p c 机向专业化方向发展，形成了从板卡到机箱，各种相关外设的整体配套。 本文中的工业p c 不但要实现各分系统的相互协调工作的功能，还要具有足够的配 置用于图象的处理，尤其是图象设计和分色处理。表2 1 列举了几种流行的计算机总线 和工业p c 机的配置以供选用。 2 2p c i 总线概述 p c i 总线的概念是由i m e l 公司联合i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、d e c 等1 0 0 多家公 司提出的。发布的第一个技术规范1 ，o 版本年1 9 9 2 年6 月2 2 同面世，i b m 2 0 版本于 1 9 9 3 年4 月发布，2 1 版本于1 9 9 5 年第一季度发布。制定p c i 总线的目标是建立一个 工业标准的、低成本的、允许灵活配置的、高性能局部总线结构。随着c p u 的快速发 展，基于图形的操作系统( 如w i n d o w s 、l u n i x ) 迅速普及，多媒体、视频处理和网络 传输的大量应用，使i s a 总线逐渐成为系统数据传输瓶颈。p c i 总线可以很好地满足 上述需求。由于p c i 总线是一种独立于c p u 的局部总线，使总线形成了一种独特的中 间缓冲器设计，从而与c p u 及时钟频率无关，因此用户可将一些高速外设( 如网络适 配卡、图形卡、硬盘控制器等) 通过局部总线直接挂接到p c i 总线上，使之与高速地 c p u 总线相匹配，从而打破了数据i o 地瓶颈，使高性能c p u 的功能得以充分发挥。 p c i 标准推出后，得到迅速发展，已成为事实上的总线标准，因此本文选择p c i 总线 作为上位p c 机与d s p 的数据传输的通道。 p c i 总线具有如下特点： 1 ) 高性能：采用3 2 位或6 4 位数据总线，以3 3 m h z 或6 6 m h z 的时钟频率操作， 可支持多组外围部件及附加卡。在3 3 m h z 情况下，其数据传送率高达1 3 2 m b s ；在 6 6 m h z 情况下，其数据传送率翻倍。另外，它支持线性突发的数据传输模式，可确保 总线不断满载数据。外围设备一般会由内存某个地址顺序接收数据，这意味着可以由一 个地址起读写大量数据，然后每次只需将地址自动加1 ，便可接收数据流下一个字节的 数据。线性突发传输能够更有效地利用总线的带宽传送数据，以减少无谓的地址操作。 2 ) 低成本：最优化的内部结构，电气驱动能力和频率规范是标准的a s i c 技术和 其他处理技术的结合：多路复用结构减少了引脚个数( 从设备4 7 个信号，主设备4 9 个 信弓) 和p c i 部件封装尺寸。 2 3 喷墨制网机的机电控制框图 由以上的分析和喷墨制网机要实现的功能，我们可以构建出以下总的控制框图，见 图2 1 。 硕士学位论文 驱显 动 键 嚣 盘 不 器 _ _ _ _ - 。 t l 工业p cr a m智能外崮 数字i 口 工业】口 模栅口 豳肉豳自由囱自 图2 1 喷墨制网机的机电控制系统框图 电源 p c i 总线 基于喷墨制网机的机电控制系统 第三章喷头交流伺服控制系统 喷头交流伺服控制系统要根据在工控机内预先编写好的程序，不断改变指令，使 工作台实现快进、快退、停止，并可以在快进、快退的过程当中不断改变速度。由于永 磁同步电机无电刷和换向器，维修少，重量轻，而且电机结构简单，孥崮，适应的安装 环境宽，动态响应快等优点。所以该系统选用永磁同步电机作原动机。 3 1 永磁同步电机矢量控制的数学模型 3 1 。1 永磁同步电机的转子磁路结构 永磁同步电机的转子磁路结构不同，运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也 不相同。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电机的转子磁路结构一般可分为表 面式和内置式。 3 1 1 1 表面式转子磁路结构 表面式转子磁路结构中，永磁体呈瓦片形，安装于转子铁心的外表面上，提供径向 磁通。表面式结构又分为凸出式( 图3 1 a ) 和嵌入式( 图3 1 b ) 两种。 ( a ) 凸出式( b ) 酞入式 卜一永磁体2 一转子核心3 一转轴 图3 1 表面式转子磁路结构 对聚用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1 ，所以表面凸出式 转子在电磁性能上属于隐极转予结构；而表面嵌入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导 率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。 表面凸出式转子结构具有结构简单、制造成本低、转动惯量小等特点，在方波永磁 同步电机和恒功率运行范围不宽的永磁同步电机中得到了广泛的应用。此外，表面凸出 式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，形成能使电机气隙磁密趋近于正弦波的磁 极形状，可显著提高电机乃至整个传动系统的性能。 表面嵌入式转子结构可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机 的功率密度，动态性能较凸出式有所提高，常被某些调速永磁同步电机所采用。嵌入式 硕十学位论文 结构的漏磁系数和制造成本比凸出式大。 3 1 1 2 内置式转子磁路结构 这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制 成的极靴，极靴中可以放置铸铝或铜条笼，起阻尼、起动作用，动、稳念性能好，广泛 用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电机。内置式转子磁路结构的永磁同 步电机在电磁性能上也属于凸极同步电机，其转子磁路结构不对称性所产生的磁阻转矩 有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且有助于弱磁扩速。 3 1 2 正弦波同步电机的d ，q ，0 坐标系统 永磁同步电机的派克方程基于电机的d ，q ，o 坐标系统，可用于分析电机的稳态 和暂态运行性能。它的建立基于下面的假设： ( 1 ) 忽略电机铁心的饱和； ( 2 ) 不计电机中的涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 电机电流为对称的三相正弦电流( 即只考虑电流基波) 。 定子绕组的电流i k 、电压“k 、磁链v k 和电动势e k 的正方向规定如图3 2 所示。 取转子纵轴d 与磁极的中心线一致，横轴q 沿转子旋转方向领先纵轴d9 0 。( 电角度) ， 图3 2 电动机惯例的定子电磁量正方向关系图3 3 永磁同步电机dq 轴模型 y 为转子d 轴领先定子a 相绕组中心线的电角度( 如图3 - 3 所示) 。假设在定子d 轴 和q 轴各有一个匝数和绕组形式与定子真实相绕组完全相同的绕组，按磁链等效的约 束条件1 叭，定义定子绕组电流的d 轴分量i d 、 q 轴分量i q 和零轴分量i o 如下： 22 c o s y c 。8 ( ，一雪万)c 0 8 ( y + 亏石) 一s i n y s i n ( y 一号厅) 一s i n ( ，+ 弓丌) l 压 ( 3 1 ) 式中i 。、i b 、i 。为定子三相电流，对于三相对称系统i o = o 。通过反变换求i 。、i b 、i 。的 表达式为 污 = lll、lllj 00b l 基丁i 喷墨制网机的机电控制系统 店 c o s ，一s l n ， c o s ( ，一三丌) c o s ( y + 三牙) 一s i n ( ，一鲁石) 一s i n ( y + ；丌) 1 压 1 压 1 i ( 3 2 ) 类似地，定子三相电压u a 、u b 、u 。与d 轴电压u d 、q 轴电压1 1 q 、零轴电压u o ，定子 三相绕组磁链v 。、| ，b 、| ，。与d 轴磁链、q 轴磁链、l ，。、零轴磁链、l ，o ，都存在式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 所示的变换关系。 3 1 3 永磁同步电机的方程 永磁同步电机在d ，q ，o 坐标下的电压、磁链、电磁转矩和功率方程如下 ( 1 ) 电压方程： “u “0 o 0 ( 2 ) 磁链方程： = p 妒d 一国v 。+ r i d = p l q + v d + r i q ：p + 月 p j + 墨d “ p p l g + 只1 口f l g 甲d = l 0 d 斗l 0 d i l d 七v f 妒q = l q i q + l q i 、q = 岛f o 妒l 。= 三一0 + 厶“f l d + f ， 妒。= + 厶。“ ( 4 ) 电磁转矩方程： t = p 。( 屯一_ ；f ，。) ( 5 ) 功率方程： p = ( + ) + 3 “o f 0 式中( 0 电角频率 i l d 、i l q 转子绕组电流的d 、q 轴分量 v i d 、| ，l q 一一转子绕组磁链的d 、q 轴分量 v f 永磁体基波磁场链过定子绕组的磁链 一一永磁体基波磁场链过转子绕组的磁链 r 定子相绕组电阻 r l d 、r 1 q