（计算机系统结构专业论文）彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现.pdf

摘要 本文分析了彩色喷墨绘图机的工作原理以及组成结构， 并在此基础上详细的论述了 绘图机喷绘控制器中喷头小车驱动以及走纸步进电机的驱动电路设计。 其中重点讲述了 喷头小车的直流p wm伺服驱动技术， 采用直线型透射式光栅位移传感器实现喷头的高 精度定位技术， 以及控制器软件的算法和程序实现。 通过对设计方案的工程实现和实际 调试， 掌握了绘图机喷绘控制器的核心技术。 该设计具有结构简单、 调试方便、 稳定性 好等优点。 论文的研究和实践对于促进国内大幅面喷墨绘图机技术的发展具有一定的实 用意义和参考价值。 关键词: 喷绘控制器单片机 光栩传感器直流 l j m伺服驱动 步进电动机 ab s t r a c t t h i s p a p e r p r e s e n t s t h e d e s i g n o f p l o t c o n t r o l l e r o f w i d e f o r m a t c o l o r i n k j e t p l o t t e r t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f i t s p r in c i p l e a n d c o n s t r u c t i o n . i n s t e a d o f u s i n g a s i c t h i s d e s i g n i s a d i s t r i b u t i n g m i c r o c o m p u t e r s y s t e m w h ic h c o n s i s t s o f g e n e r a l s c m w h o s e f u n c t i o n s a r e a p p r o p r ia t e t o t h e d e s i g n . t h e p a p e r g i v e s a d e t a i l e d i n t r o d u c t i o n t o t h e d i r e c t c u r r e n t p wm s e r v o d r i v e r o f p r i n t - h e a d c a r r i a g e , t h e h i g h p r e c i s e p o s i t i o n t e c h n o l o g y o f p r i n t - h e a d u s i n g t h e l i n e a r g r a t i n g p o s i t i o n t r a n s d u c e r a n d t h e a l g o r it h m a n d p r o g r a m m i n g o f c o n t r o l l e r s o ft w a r e . t h e d e s i g n h a s s o m e a d v a n ta g e s o f s i m p l e c o n s t r u c t i o n , c o n v e n i e n t d e b u g g i n g , l o w p r o d u c t i o n c o s t , h i g h r e l i a b i l i t y , a n d h i g h p e r f o r m a n c e . t h e r e s e a r c h a n d p r a c t i c e i n t h i s p a p e r p o s s e s s c e rt a i n p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d r e f e r e n t i a l v a l u e i n p r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f i n k j e t p l o t t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y o f i n d u s t r i a l i z a t i o n a n d i n d e p e n d e n c e o f i n k j e t p l o t t e r . k e y w o r d : p l o t c o n t r o l l e r s c m d i r e c t c u r r e n t p w m s e r v o l i n e a r g r a t i n g t r a n s d u c e r d i rve r s t e p p i n g m o t o r 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以 外， 论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果; 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名:日 期 必v 3 夕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定， 即: 研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。 本人保证毕业离校后， 发 表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电 子科技大学。 学校有权保留 送交论 文的复印件， 允许查阅和借阅论文; 学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采 用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名:一 冬 共 一 一州一 日 期 萨v ; . ， 。 / 导师签名: 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1绘图机介绍 绘图 机作为输出高质量图形的大型计算机外部设备， 广泛应用于机械、 建筑和电路 c a b制图等工程设计中。近些年来，随着计算机技术的发展和绘图机技术、工艺日 趋 成熟， 性价比不断提高， 应用领域进一步扩大， 正逐渐从过去的c a i 领域向其它领域渗 透， 特别是彩色喷墨绘图机， 在这方面表现得尤为明显。目前大幅面彩色喷墨绘图机在 g i s 领域己基本取代了笔式绘图机， 正快速地进入图形图像应用领域，广告、招贴画、 海报、灯箱、数码照片就是已经为我们所熟悉的应用。 彩 色 喷 墨绘图 机喷墨 技术 主 要 采 用 两 种: 压电 式 ( p ie z o e le c t r ic ) 和 热发 泡 式 ( t h e r m a l j e t ) ， 其中 热发泡式是传统喷墨技 术， 采用电 热原 理， 通过电 脉冲加热喷嘴管 壁上的高 温元器件， 使墨水产生气泡把墨水喷射出 来。 比 较有代表性的是n p( 惠普) 的t h e r m a l j e t , c a n o n( 佳能)的b u b b l e j e t 及l e x m a r k 公司的喷墨技术;日 本e p s o n 的压电 式技 术采用电 一压直接转换原理，通过输入打印信号使装在喷嘴管壁两侧的压电晶体变形， 产生 横向 扰动使墨水喷射出 去。 两种技术都具备墨滴大小控制能力， 打印 精度都很精确。 但热发泡式的最大缺点是因高温工作而造成的喷头寿命短 ( 几百小时) ，需频繁更换墨 头而引起成本增大， 并且喷射频率受到技术原理的局限， 只能依靠增加喷头数量弥补这 方面带来的绘图速度损失; 与之相比， 压电式喷射频率高， 喷头寿命可达数千小时， 能 更好的控制墨滴体积、形状，飞行状态。但其价格太高。 分 辨 率d p i ( 每英 寸的 打印 点 数 量) 和 输出 的图 像 质盘 直接 相关。 一 般 来 说， 绘 制 的图 像分 辨率越高 越好， 可以 通过 增大喷 嘴 排列密 度和多p a s s 打印 方式达到这 个目 的。 墨水从制造原理上主要分颜料型墨水与染料型墨水: 普通的户内墨水一 染料型墨水 是 分 子 级 别 溶 解的 复 合 溶 液， 一 般 不 会 堵 塞 喷 嘴: 喷 绘 后 易 于 材 料 吸 收， 色 彩 艳 丽; 缺 点 是 不 防水， 并且因染料分子在 紫外 线照 射下 很快分 解， 不适合户外使用。 普 遍应用的 户外墨水一 颜料型墨水与印染衣物的 颜料有同 样性质，固体颜料被研磨成微小颗粒， 溶 解于 特殊的 水性溶剂中生成胶体溶液。 因固体颗粒颜料本身防水， 解决了防水的问 题: 其次在紫外线照射下，固体颗粒颜料也不易分解， 一般在户外一年左右不会退色: 但其 缺点 是缺乏渗透性， 使颜色暗淡。 目 前采用比 较先进的六色、 八色喷墨方式结合精细图 像中 半色调技术， 运用数字半调算法以 及 优化误差扩散算法， 提高色彩还原度， 增强色 彩表现能力。 如果算法优良， 加上正 确的套色方式保证色彩匹配， 可达到近乎照片级的 质量。 总 之， 彩色喷墨绘图机打印质量、 速度主要依赖墨水喷射的驱动方式，分辨率， 喷头色彩数量以 及套色次序， 墨水类型和绘图介质间的相互作用和与此相关的软件方面 彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现 的图象处理算法，喷头数据重组和相关绘图驱动控制逻辑和算法。 1 . 2论文的工作及意义 1 .2 . 1论文的主要工作 本论文的选题来源于 “ 十. 五”国防预研项 目，主要目的是研究宽幅彩色喷墨绘图 机的关键技术， 能够最终完成一台彩色喷墨绘图机性能样机， 然后通过测试验证解决关 键技术的可行性，并且在改进定型后投入生产。 本论文负责设计和开发绘图机的小车驱动电路的设计与实现， 在满足整机性能指标 要求的基础上， 综合考虑价格和实现复杂度， 设计一个合理可行并且经济高效的驱动电 路。 对于驱动电路中的几个关键技术做深入研究， 掌握其技术要点， 最终付诸于工程实 现。 小车驱动电路是绘图机的一个重要组成部分， 绘图机的一些重要的性能指标， 如机 械分辨率、 喷头定位精度等都需要此电路来保证。 同时， 小车驱动电路是整个绘图机的 运动控制核心，绘图机的所有工作和任务最终都转换为此电路对执行机构的驱动来完 成。 论文针对喷头小车驱动电 路的 特点和要求，避开了国 外采用专用芯片的技术路线， 提出了 采用通用的、 功能适合设计要求的 单片机组成功能分布式的微机系统， 同样实 现 了 绘图 机的主要功能和指标，又大大降低了 成本。 论文中主要讨论了喷头小车的 驱动技术， 喷头的高精度定位技术和控制器的 软件控 制 算 法 和 程 序 实 现 。 并 提 出 了 喷 头 小 车 的 伺 服 控 制 系 统 的 设 计 方 案 和 实 现 ， 采 用 了 直 硫 伺 服电 机以 及p w m 直流伺服电 机驱动装置。 控制方法采用多环路复合控制方法， 使结构 简单， 控制方便可靠。 对于高精度定位系统， 论文提出了 直线型透射式光栅传感器定位 系 统 ， 实 现了 高 精 度 可 靠的 喷 头 小 车 位 置 检 测. 软 件 实 现 充 分 利 用 单 片 机 资 源， 针 对 小 车速度控制采用数字p i d 算法: 软件配合硬件工作， 针对绘图机工作时喷绘控制器接收 到的命令， 合理解析， 并对命令执行进行不同阶段的分别控制， 最终实现喷头小车驱动 系统的准确工作。 1 .2 .2论文的现实意义 目 前， 我国在大幅面和超大幅面彩色喷墨绘图机领域比 较落后，目 前尚无自 主知识 产权的同 类产品。 因此， 所需的大幅面和超大幅面彩色喷墨绘图机基本依赖进口， 国内 的喷墨绘图机市场也为几个国外的产品所占领。 为了满足办公自 动化、 测绘、 气象以及 图形图像民用等对色彩鲜明、 层次清晰的大幅面图像的需求， 我国花费大量的外汇进口 喷墨绘图设备. 对大幅面喷墨绘图技术进行研究， 以掌握其中的关键技术， 并投入生产， 第一章 绪论 使国产超大幅面彩色喷墨绘图机的整体技术指标达到国际水平， 这对大幅面喷墨绘图设 备国产化， 产业化有重大意义， 同时对于提高我国电子信息产品在国际市场上的竞争力 也有着重大意义。 第二章 喷绘控制器的总体设计 第二章 喷绘控制器的总体设计 2 . 1绘图机性能指标 根据项目 对绘图机的实际要求， 以目 前处于市场领先地位的彩色大幅面喷墨绘图机 技术指标为基础， 并基于降低成本、 容易生产、 稳定可靠等方面的考虑， 将彩色宽幅喷 墨绘图机的技术参数设计如下，这些参数己经达到了国际先进水平。 . 性能指标 . 喷头类型微压电式 有效绘图幅面8 0 英寸 ( 2 0 3 2 m) 。 分辨率3 6 0 d p i 基色c , m , y , k 四色 墨水类型水性墨水、溶剂墨水 接口s o c k e t 网络接口、r s -2 3 2 串口 . 绘图 速度4 m / 小时 供墨方式自 动供墨 . 纸 张 类 型亚 光 、 高 光 像 纸 . 功能描述 通用计算机外设，能与大多数通用c a d 系统配套 可绘制彩色、黑白 矢量、点阵图 形或图 像 . 提供三种喷绘模式:草稿、普通和高精度 2 .2绘图机的总体结构 2 .2 . 1系统组成 彩色喷墨绘图机是行式输出设备， 为了减小设备体积， 一般机械结构上采用滚筒式 设计， 通常由机座、导轨、 装载墨盒的喷头小车及其驱动系统、走纸机构、 通信接口 和 一些辅助系统 ( 供墨系统、 洗头系统、烘千系统等) 组成。其绘图原理:驱动系统按照 绘图命令使喷头小车在导轨上作横向扫描运动， 运动过程中各色墨盒喷嘴在打印信号激 励下喷墨， 到达端点后完成一带， 接着走纸机构驱动绘图介质产生相对于喷头的纵向移 动，以 错开进行下一带的绘制，依次往复直至打印任务结束。 不考虑绘图机的具体电气机械结构，绘图机系统原理图如图2 . 1 所示， 绘图机主体 分为中央控制器mb ， 显示面板和喷绘控制器 ( c p c ) 。 绘图机喷绘控制器主要由电机驱 动、 走纸机构、运动控制器和喷头驱动p e等几部分组成。下面讨论各部分构成功能和 彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现 设计方案。 王_ _ 一 二 一 汗二 r i p 处理主机 t w o ll*,dam, 中央控制器 ( m b) 控别由令 绘图机 运动控制器 打印同步时钟 ( p g 比 ) 打印引擎 ( p e) 绘图机主体 图 2 . 1绘图机系统原理图 2 .2 .2各部分完成的功能 作为图像处理和打印用户终端的主机 ( h o s t )的功能是:(dr i p功能，包括彩色管 理、 模式转换、 分色处理、 半调处理等; 向m b发送符合h p p c l规范的绘图数据流; 相应的打印 作业管理和输出管理。因此， 对于 h o s t 需要采用高配置的微机， 操作系 统 采 用w in d o w s . 中央控制器 ( m b ) 的功能是: 数据接收和状态反馈:处理数据，向p e 发送绘 图数据; 控制绘图机构并检测其状态: 通过控制面板接收控制命令和显示绘图状态。 打印引 擎 ( p e )的主要任务是: 在c p c 打印 信号的 激励下，按照接收到的喷头绘图 数据驱动相应的喷嘴喷墨。 它由逻辑电 路组成， 具有模式设定，数据接收缓存， 数据分 配和打印头驱动等功能。 绘图机执行机构控制器 ( c p c )的功能是:控制小车运动和走纸，并通过位置检测， 产生打印激励信号。 这一部分正是本论文所论述的核心问题， 其实质是设计走纸驱动和 小车驱动电路。 如图2 . 1 所示，喷绘控制器中的绘图机运动控制器包括绘图机的走纸驱动电路和小 车驱动电路. 第二章 喷绘控制器的总体设计 2 .3喷绘控制器设计 2 .3 . 1功能描述 绘图机小车驱动电路模块，主要完成以下功能: a . 接收mb命令，驱动喷头小车完成下列动作 b做 行扫 描运 动， 并 产生 打印 同 步时 钟 输出 到p e ， 分 辨率为3 6 0 d p i c小车回停车场并产生停车场到位信号 驱动走纸机构，由步进电机经过减速器驱动，每次的最小移动距离应该小于打印下 一行墨点的行间隔 2 .3 .2总体设计方案 绘图机喷绘控制器式绘图机的一切 “ 动作”的最终执行者，所有来自 用户的操作和 上层软件的命令， 全部由它做出响应。 整个设计的原则是: 首先考虑满足绘图机的功能 要求， 且工作可靠、稳定、易于生产、 接口 通用。 同时， 考虑生产成本和开发调试的 方 便， 以 缩短 开发 周 期。 整 个设 计 包 括硬 件 和 软 件 两个 部 分， 其中以 硬件为 核 心， 在 硬 件 确定的基础上，选择相应的软件语言进行程序控制。 对喷绘控制器的功能描述分析， 可以 看出 喷绘控制器所具有的一些特点。 控制器参 与 运算和传输的数据量不大 ( 相对于 p e接收图像数据而言) ，其主要的数据就是来自 m b的命令 ( 自 定义的命令集，一般长度十多个字节) ，和检测到的一些标志信号量。 在绘制一副图像过程当中， 最为主要的运动首先是小车的 运动， 然后是走纸机构， 最后 是洗头控制。 所以整个控制器的核心任务是对于几个执行元件的驱动控制和对于打印 控 制信号p c l k的产生。由此，提出以下设计方案: 小车驱动电路由 单片机、 测速系统、 位置反 馈系统等组成，见图2 . 2 所示。 其中: 1 .控制系统是一个单片机作为其c p u的数字控制系统; 2 喷头小车采用直流伺服控制系统，并由 速度负反馈和位置反馈构成闭 环系统， 使小车打印过程中处于恒速状态; 3 喷头的高精度定位采用位置定位的方法，以 直线型位移传感器进行位置检测， 实现喷头的高精度定位: 4 与mb的通讯采用通用r s - 2 3 2 标准串 行口 实现。 电路设计广泛采用 c p l d ，包括扩展单片机 v 0接口、速度反馈的数字量化、光栅 位置反 馈电路的设计等等， 使得电路的可靠性和稳定性大大提高， 调试简单， 提高开发 质量和效率。图 2 .2是喷头小车驱动系统组成框图。 彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现 图2 . 2小车驱动电 路原理图 2 .3 .3相关部分的设计 . 喷头小车驱动:喷头小车负责移动喷头到目 标位置进行喷打。小车运动平稳，定位 精确则绘制图像的喷墨点均匀，边沿整齐，图像噪声小，一致性好。喷头小车的驱 动电机选择及控制电路的设计，精确定位的实现都极其重要。 驱动电 机: 选择喷头小车的驱动电 机从两个方面考虑， 一是电机的功率和出力大小， 应该保证能“ 拖动” 喷头小车;二是电 机的 控制特性， 应该易于控制， 误差小。设计采 用伺服特性较好的 无刷直流伺服电 机作为喷头小车的驱动电 机， 它具有体积小， 效率高， 出力大，动态性能好的优点。 . 控制方式: 速度负反馈和位置反馈的闭环控制，采用数字p ii 7 算法。 速度反馈: 采用光码盘检测小车速度， 光码盘反馈信号进一步处理可得到小车速度 的数字值。 ， 驱动芯片: 具有直流p wm装置的集成芯片l m d 1 8 2 4 5 ， 外接一个8 位d / a转换到 其参考电 压端， 实现电 流的细微控制， 提高 控制精度。 . 位置反 馈: 采用直线型光栅传感器作为喷头小车的位置检测装置。 对于直线型大位 移 传 感 器， 光 栅 是 考 虑的 首 选， 它的 特点 是 测 量 精 度高( 可 达士 l ,u m ) 、 响 应 速度 快 和 量程范围广等。 . 走纸机构: 走纸机构是负责实现纸张的纵向 移动。比 如打印过程中，喷头小车每扫 打一行数据，走纸机构负责将纸张在纵向上移动一个基本单位，也就是一个墨点的 间隔。也可由 控制板控制进纸一段距离。 驱动电机: 根据绘图机对走纸的需求， 走纸电机的频率较低，一个步进电机就可以 实 现 功 能 。 不 仅 电 机 的 优点 在于 单 步 运 动 稳 定 性 能 好， 设 计 采 用 两 相四 线 混 和 式 步 进电 第二章 喷绘控制器的总体设计 机。 驱动芯片:采用步进电机的专用驱动芯片 mt d 2 0 0 5 。恒流驱动，使用方便，具有 多种保护电路，工作可靠稳定。 控制方式:单片机接口直接控制的开环控制方式，采用 1 6微步控制对于电机的步 进距离进行细分，提高控制精度。 图2 .3走纸机构原理图 . 打印同步信号:小车做扫描运动的同时，另外一个重要的任务就是产生出打印同步 信号p c l k ，发送到p e . p e上接收从m b发送来的已经重组过的喷头数据，采用 f i f o来保存的。这些 f i f o中的数据则需要p c l k来触发和同步，以控制喷打。 第三章 喷头小车驱动的设计与实现 第三章 喷头小车驱动的设计与实现 3 . 1喷头小车直流伺服控制系统设计 3 . 1 . 1伺服系统设计 高精度、高性能的定位控制一般都倾向 于采用闭环伺服控制，开环控制己不能满足 定位精度的要求。因此， 在喷头小车的驱动控制上，采用伺服特性较好的无刷型直流伺 服电动机，同时配以位置传感器实现系统的闭环控制。 通过检测速度信号来控制喷头小 车在绘图区域内 做匀速运动，以 位置检测来进行喷头定位，同时利用所检测到的 绝对位 置信号产生喷嘴的打印脉冲。 采用无刷型直流伺服电机的目 的在于它具有很好的伺服特性，其转矩与电 枢电流具 有线性关系，转速可通过输入电压方便的进行调节，运行较平稳，由于采用无刷结构， 克服了 机械换向的干扰，同时提高了 可靠性和维护性。 对于伺服电机而言，线性驱动是一种理想的驱动方式，它可充分发挥其快速响应的 控制特性， 但是线性驱动的功耗较大. 而在喷墨绘图机中， 喷头小车的扫描速度与速度 变化率不可能很快， 这主要是受限于喷嘴的开关频率，而且，绘图过程中喷头小车速度 保持恒速。因此， 我们设计采用开关驱动方式。开关驱动方式能够实现的物理本质在于 线圈电感和惯性的存在， 使得它相当于一个低通滤波环节， 其作用的只是输入信号的直 流分量和低频分量，因而可以通过改变脉冲的占空比来对电机转速进行控制。 测速元件是速度闭 环控制系统中的关键元件。 为了扩大调速范围， 改善低速平稳性， 要求测速元件低速输出稳定， 波纹小， 线性度好。 选择采用数字测速元件，由光电 码盘 及检测装置组成。它们具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度的优点，有利于可控制 直流伺服电动机。 光码盘信号 图 3 . 1闭环控制系统框图 本系统中， 采用如图3 . 1 所示的喷头小车闭环控制框图， 通过速度以及位置反馈 彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现 闭环控制喷头小车运动。 3 . 1 .2直流p wm 伺服驱动技术 p w m是指“ 脉冲宽度调制( p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n ) 。 目 前， 用大功率晶体管p wm 控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置， 是高精度伺服控制领域应用最为广泛的驭动形 式，称之为p wm驱动装置。 . 直流p wm伺服驱动装置的工作原理和特点 p w m驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电 压的直流电源，按一 个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“ 接通” 和 “ 断开” 时间的长 短。 通过改变直流伺服电 动机电 枢上电 压的“ 占空比” 来改变平均电压的大小， 从而控 制电动机的转速。因此，这种装置又称为 “ 开关驱动装置” 。p wm 控制的示意图如图 3 .2 ( a ) 所示。 ( a ) 图3 .2p w m控制示意图及电压波形图 可控开关s以一定的时间间隔重复的接通和断开，当s 接通时，供电电源通过开关 s 施加到电 动机两端，电 源u : 向电 机提供能量， 电动机储能; 当开关s 断开时， 中断了 供电电源u s ， 但在开关s 接通期间电枢电感所存储的能量， 此时通过续流二极管v d使 电动机电流继续流通。 在电 动机两端得到的电 压波形如图3 . 2 向所示， 、 沂 i-t 二 二 电 压平均值u , ， 可用下式来表示 式 ( 3 - 1 ) 式中 : t - 一 开 关每 次 接 通的 时 间 ; t一 开 关 通断 的 工 作 周 期( 即 开 关 接 通时 间 和 关 断 时间 t ag 之 和) 第三章 喷头小车驱动的设计与实 现 a 一 占 空 比 ， a 一 t-a = -n t 由 式( 3 - 1 ) 可见，改变开关接通时间to n 和开关周期t的比 例也即改变脉冲的占 空比， 电 机两端电 压的平均值也随之改变， 因而电 动机转速得到了 控制。 按照式( 3 - 1 ) 可获得两 种调制方法， 一种是开关周期t 恒定， 通过改变导通脉冲宽度t o 。 来改变占空比的方式， 即 脉冲宽度调制( p u l s e w i d t h m o d u la t i o n ， 缩写为p w m ) ; 另一种方式为导通脉冲宽 度t o . 恒定， 通过改变开关频率 ( 周期) 来改变占 空比，亦即脉冲频率调制 ( p u l s e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n 缩写为p f m ) 。由 于p f m控制是依靠脉冲频率的变化来改变占空比的，当 遇到某个特殊频率下的 机械谐振时， 常导致系统振荡和出 现音频啸叫声， 这一严重缺点 导致了p f m控制在伺服系统中不适用。目前，直流电动机的控制中，以应用p wm控 制方式为主。 我们已经知道，改变脉冲占空比即可调节电 机转速， 但必须有将控制转速的指令转 换为脉冲宽度 ( 或开关周期)的电 路来实现。图3 .3 所示为桥式p wm驱动装置的 控制 原理框图。为叙述方便、在功率转换电路框内绘出了元器件。 恒颇串波 形发生器 u pwm tf p 气 u比比 ul 州 产 艺 图3 .3 p wm驱动装置控制原理框图 p wm 驱动装置的控制结构可分为两大部分:从主电 源将能量传递给电动机的电路 称为功率转换电路; 其余部分称为控制电路。 控 制 直 流电 动 机 所需 的 直 流电 压u : 被施 加到 四 个 大 功 率晶 体管 ( g t r ) v 1 , v 2 , v 3 , v 4 组成的桥式 ( h型) 功率转换电路上，大功率晶体管内控制电路给v 1 , v 4 和 v 2 , v 3 提供相位差1 8 0 。 的矩形波基极激励电压，使v i , v 4 和v 2 , v 3 交替导通 ( 也 可以 是其他导通方式， 但必须保证不构成同侧对管直接短路) ，将直流电压调制成与给 定频率相同的方波脉冲电压，作用到电动机电枢两端，为电动机提供能量。 控制电路通常有恒频率波形发生器、脉冲宽度调制电 路、 脉冲分配电路、基极驱动 电路、保护电路等五个部分组成. 1 .恒频率波形发生器:产生恒定频率的振荡源以作为时间比较的基准， 它可以 是三角波，也可以是锯齿波. 2脉冲宽度调制电 路: 按功能而言， 它实际上是电 压/ 脉宽转换电 路 ( 简称v w 彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现 电路， 是英文v o l t a g e - t o - p u l s e w i d t h c o n v e rt e r s 的缩写) ，也就是p wm信号 形成电 路。 产生p wm信号常采用电 压比 较器， 它具有如图3 .4 ( a ) 所示的继电 控制特性，输入输出波形如图3 .4 ( b )所示。 ( a ) 比 较器的 继电 特性( b ) 输入一 输出 波形 图 3 .4利用比较器的p wm信号形成原理 3 脉冲分配电 路: 根据功率转换电 路的工作方式， 即大功率晶体管的导通次序， 对v w变换的信号进行适当的逻辑变换后分配给基极驱动电 路，以 满足功率 转换电路的“ 通” 、 “ 断”时序。 4基极驱动电 路: 对脉冲分配电 路提供的电压脉冲进行前置功率放大，使之激 励功率转换电路的大功率晶体管。 5 .保护电 路: 对整个p wm驱动装置 提供有效的 保护。 . 直流p w m伺服驱动装置的特点: 1 .需用的大功率可控器件少，线路简单。 2 调速范围宽。 3 快速性好，线性度好。 4 电流波形系数好，附加损耗小。 5 .功率因数高，对用户使用有利。 3 . 1 . 3绘图机直流伺服电机的p wm驱动实现 在设计喷头小车的直流伺服电 机所采用的p wm驱动装置时， 为提高系统的可靠性， 简化电路，选择用集成电路来实现。 芯片选用了美国国家半导体 ( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r )公司生产的新一代d mo s - h 第三章 喷头小车驱动的设计与实现 型全桥功率电机驱动器l md 1 8 2 4 5 。 其内集成了驱动和控制直流电机和单相双极性步进 电 机的 所有电 路模块。 在同一芯片中组合应用了 双极、 c m o s 控制、 保护电 路和d m o s 功率开关等多种技术。 . l md 1 8 2 4 5 的主要特征 1 .具有5 5 v的 d o ms 功率额定电压，可连续输出3 a的额定电流; 2 . d m o s 功率开关电阻很低，因而效率很高; 3 .内置钳位二极管: 4 .采用低功耗电流采样方法; 5 .可进行电机电流的数字或模拟控制; 6 .具有t t l和c mo s 兼容的输入; 7 . 可进行过热保护，在工作温度达到1 5 5 时，输出能自 动关断; 8 .具有过流保护功能: 9 .无串通电流. . l m d 1 8 2 4 5 的内 部结构 图3 . 5所示为l md 1 8 2 4 5 的内部结构， 其芯片内部集成了所有p wm驱动的电路模 块。 f1too p=7cee91eoita4lit ! 签 魏; 欠压保护 陀 :m d a c r 即 图3 .5 l m d 1 8 2 4 5 内部结构图 1 . l m d 1 8 2 4 5 内部有4 个d m o s 功率器件实现功率转换来驱动电机。 由于该d m o s 开 关 的 电 阻1 z d s (o n ) 很小， 为0. 3 q ， 所以 功率 转 换效 率高。 同 时， 为了 构 成负 载中 的能量续流回路，四个功率开关都设置钳位保护二极管。 2 . 芯片内部有一个3 0 0 k h z 的振荡器来控制充电泵电路， 充电泵电容被充电至1 4 v 左右。 3 . 内部设置的电流采样放大器输出一个电流信号， 它与h桥输出电流成正比关系， 由1 3 脚 ( c s o u t ) 串 接一 个电 阻 到 地， 可 得到电 流检 测电 压 信号， 作为内 部电 流比 较器输入，它与d a c o u t相比较，经单稳态电路得到p wm信号，对h桥输出进 彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现 行斩波控制。 同时， 该斩波控制是固定关断时间的斩波方式， 即比较器输出为低时， 关断电源开关，该关断时间利用3 脚外接 r c网络决定单稳态的时间，使得开关关 断一个固定时间。同时，比较器一路输入d a c o u t是利用 1 4 脚 (d a c r e f) 输入电压作为 d / a转换基准电压，d a c o u t输出d 1 1 6 模拟量电流指令信号。这 就构成了脉冲宽度调制电路，即p wm信号产生电路。 4 . l md 1 8 2 4 5的开关逻辑控制是由1 1 脚 ( d i r c t i o n )和 1 0脚 ( b r a k e )共同 决定，其真值表入表3 . 1 所示。该控制逻辑实现对p wm控制信号的脉冲分配。 5 . l m d 1 8 2 4 5 内部集成有各种保护电路，极大地方便了 用户的使用。 表3 . 1 开关控制逻辑真值表 br人kedi recti on 单稳a出 ( m o n o )导通开关 hx x 1 , 2 l hl 2 lh h 2 , 4 l ll 1 l l h 1 , 3 下面将详细讨论 l md 1 8 2 4 5内部的钳位二极管实 现斩波控制以 及电流采样放大器 的实现。 . 钳位放大器的作用 钳 位 放大器利用功率桥反馈 驱动开 关 控制电 机线圈内 的电 流。 h桥由4 个固 态功率 开关和4 个与h桥连接的二极管组成，见图3 .6 第三章 喷头小车驱动的设计与实现 l r l rl r 、 _ 飞 价服 (e)峪 l r lr 图 3 :6钳位放大器工作原理图 控制电路监测线圈内的电 流并与门限制进行比较， 当线圈电流低于门限制时， 位于 h桥臂相反位置的一个源开关和一个吸收开关导通使电 源电压通过线圈，线圈电流向 v c c / r 方向 迅速增加 ( 见图3 .6 a . 3 .6 d ) ， 当 线圈电 流一旦高于门限 值时， 控制电 路 关闭 吸收开关一段时间， 这段时间称为关断时间。 在关断时间内， 源开关和其对面上部的反 响二极管将线圈短路， 线圈电 流在此回路中循环流动并缓慢衰减到0 ( 图3 .6 b . 3 .6 e ) . 关闭时间一结束， 控制电路重新接通吸收开关， 线圈电流再一次向v c c / r方向迅速增加。 上 述 过 程 重 复出 现以 限 制线圈 电 流 在门 限 内( 图3 .6 g ) ， 钳 位只 在电 流达到门 限 值时 发 生。 当电 流方向 发生改变时， 二极管为最初线圈内的电 流提供衰减通道 ( 图3 .6 c . 3 .6 f ) . 由 于h桥短路线圈一个固定的时间，因此这种钳位放大器称为定时断路器。 3 . 1 .4电路设计及注意问题 l m d 1 8 2 4 5 使用方便、外接电路简单，但应用时应该考虑以下几个问题: 1 .电机基本工作电流以 及最大电流; 2 .过流时保护; 3 .特殊情况下的紧急制动. 彩色喷墨绘图 机喷绘控制器设计与实现 从l m d 1 8 2 4 5 的工作原理中可以知道， 其采样端电流为负载电流的1 / 4 0 0 0 ， 那么采 样端的电压为 v s e n s e = i l o a d / 4 0 0 0 x r n 。片内的 4位 d / a转换器，其模拟输出量为 v d 、 二 。 7 v d a c r e f x d / 1 6 ， 该值就是断路器的门限电 压， 其中d是由m1 -m 4 给定的数 字， v d a c r e f 是4 位d / a转换器的参考电压， 其额定输入为0 -5 v。 为了提高控制精度， 设计中外加了 一个8 位的d / a变换器来控制v d a c r e f 的 值。 另外在r c端及c s o u t 外 接两个电容和电阻就可，电路简单可靠。 当c s o u t 端的电压超过门限电压， 比较器触发单稳态电路， 并向控制逻辑提供一 个定时脉冲。 在定时期间， 功率桥将电机线圈短路， 使线圈内的电流再循环并衰减到零。 单 稳 定 时 脉 冲 的 宽 度 取 决 于r c 网 络， 关 断 时 间t ol l-u m e i . i r c a 由此我们可以推算出功率桥关断时，线圈内的电流值: i l o a d _ c ， 二 ( y 。 二 x d / 1 6 ) / ( ( 2 5 0 x 1 0 ) x r s )式 ( 3 - 2 ) 当上式中d取最大值1 5 , v d a c r e f 取最大值5 v时， 有l m d 1 8 2 4 5 输出的最大电流: i l o a d a m x = 5 x 1 5 x 4 0 0 0 / ( 1 6 x r s ) 二 2 0 0 0 0 / r ,式 ( 3 - 3 ) 由 式 ( 3 - 3 )可知，在选定一个采样电阻之后， 可以 求得此时芯片可输出的最大电 流;同时也可以确定一个最大的输出电流， 来求出 应该采用的采样电阻。 我们喷头小车 电机的最大电流为i a ，由式 ( 3 - 3 )求出的电流采样电阻的阻值: r , = 2 0 0 0 0 1 i l o a d 。 = 2 0 0 0 0 / 1 = 2 0 ,0 0 0 ( 5 2 ) = 2 0 ( k s 2 ) 即5 v对应输出i a最大电流输出，那么关断门限被设定为2 0 0 m a n. l m d 1 8 2 4 5 的v 。 接2 4 v电 源，r c与地之间的电 容和电阻分别取2 0 k 0 和2 2 n f , 使得固定关断时间 t ff _ m , = l i r c = 1 . 1 x 2 0 x 1 0 3 x 2 .2 x 1 0 -9 = 4 8 .4 (,u s ) 图3 . 7 给出了l m d 1 8 2 4 5 在绘图 机直流伺 服控制系统中 应用的原理图。 其中线圈电 流的方向及关断门限的大小由单片机和d / a转换器进行控制. 第三章 喷头小车驱动的设计与实现 图3 .7 由l md 1 8 2 4 5 构成的直流伺服控制系统原理图 . 保护功能及应用中注意事项 l m d 1 8 2 4 5 具有过流保护、 过热保护、 欠压保护等多种保护功能， 使得由 该芯片构 成的系统具有较高的安全性和可靠性， 但在实际应用过程中也有需要特别注意的地方。 过流保护实际上是利用芯片内部的1 2 a电流阀值开关实现的。 如果芯片的两个输入 开关中的 任意一个的电流达到了1 2 a阀值， l m d 1 8 2 4 5 内部电路就将开关关闭， 并迫使 故障电 流大约3 11 s 的时间内 衰减到零。 在此之后， 芯片自 动重新启动。 应当注意的是: 如果此时电路故障已经排除， 芯片自 动启动后电路将迅速恢复到正常工作状态; 但如果 故障没有消除，电流仍然过大， 则芯片将反复进入电流通断状态。 反复开关如此大的电 流， 将在电 源线上感应出 破坏性的电 压尖峰脉冲 ( s p i k e ) ， 如果该脉冲的 幅度超 过芯片 的 最大承受电 压 ( 6 0 v ) ，则有可能造成芯片的永久性破坏。因此，芯片的 v c c端必须 能可靠滤除电压尖峰脉冲，以保护芯片不被损坏。 在实际 操作过程中， 由 于电 机电 流的 跳变或者换向 经常出 现， 因此电 源线上也经常 会出现尖峰电压或浪涌电流. 在电 路实际设计中， 常采用在芯片的电源端并联高频陶瓷 滤波电 容及大容量铝电解电容的 方法来消除尖峰脉冲及浪涌电流。 通常陶瓷电 容的容值 设定在i ii f 左右;铝电解电容的大小设置为每安培负载电流 1 0 0 u f 左右。另外，在布 线时应注意:电容到v c c 的距离应该在0 . 5 英寸以内，电容的管脚引线尽量短。 彩色喷墨绘图机喷绘控制器设计与实现 3 .2速度负反馈系统的实现 3 .2 . 1数字测速元件 测速元件是速度闭环控制系统中的关键元件。 为了扩大调速范围， 改善低速平稳性， 要求测速元件低速输出稳定，波纹小，线性度好.对于数字式测速元件，为便于计算机 控制和提高测速性能，在数字控制系统中，通常采用光电式脉冲发生器 ( 又称光码盘) 作为速度反馈元件。 3 .2 .2光码盘的原理 光电 式脉冲发生器又称增量式光码盘，被广泛使用在数字测速系统中，它由 光源、 光电转盘、 光敏元件和光电整形放大电路组成。 光电转盘与被测轴联接， 光源通过光电 转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘旋转时， 光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信 号。为了适应可逆控制以 及方向判别，光电 码盘输出两路 ( a相、b相) 相位差为n / 2 的电脉冲正交脉冲。 在某些编码器中， 常有用作参考零位的标志脉冲或指示脉冲， 用来 指示机械位置或对累积误差清零。输出波形如图3 . 8 所示。 八相 了划份几a相丁岁几一 b 相 标记脉冲 图3 . 8光码盘输出 脉冲示意图 3 .2 . 3数字测速系统的构成 喷墨绘图机中的数字测速系统由光码盘及检测装置组成。 光码盘被安装在 2 动喷头 小车直流伺服电 机的转轴上。它们具有低惯量、 低噪声、高分辨率和高精度的优点， 有 利于控制直流伺服电动机。 第三章 喷头小车驱动的设计与实现 图3 .9光码盘测速系统框图 当喷头小车运动时， 随着电动机转轴转动产生一系列的脉冲， 然后通过检测装置对 脉冲进行比较， 从而获得被测轴的速度。 通过对光电码盘的反馈信号进行计数， 就可得 到喷头小车速度的大小。由于光电码盘两路输出信号具有二 / 2 相位差， 可利用两路信号 在相位上的超前或滞后来判断电 机是正转还是反转，即喷头小车速度的方向， 如图3 .9 所示。此外还有几个问 题需要注意: 1 .由于计数脉冲来自 光码盘， 而c p u读取时间由 控制器时钟决定， 这两者毫无同 步关系.如果在同一时刻发生，c p u读出的计数值就会是一个随机值。 2 .光码盘测量的速度脉冲，既有大小又有方向，速度计数器应该进行加减计数。 3 .光码盘记录的是电动机转动的角度，需要进行角度到喷头小车的直线速度的转 换。 对 于 上 述 几 个 问 题 ， 提 出 了 如 下 解 决 办 法 : 1 .利用分频电路产生计数脉冲和读数脉冲，保证二者有严格的同步关系，避免冲 突。 2 . 采用四 倍 频电 路 对 光电 码 盘 脉冲 进一 步 细 分， 使 精 度提高. 3 .用异或电路和可逆计数器实现光电码盘的加减计数，从而得到一个带符号的数 值，计数器的长度由 喷头小车的最高速度决定，并留出一定余量。 4 .电动机的转动角度与喷头小车的直线位移成比 例关系，采用m测速法的原理， 定时读取计数器就可实现角度到速度的转换。 5 .设计采用c p l d ，通过v h d l 硬件描述语言进行电路设计，可模拟仿真。 3 .2 .4各部分实现 .时序电路 为了避免计数脉冲和读数脉冲同时到来， 必须对它们进行同步。 为此， 对8 m h z 时 钟进行分频， 得到a c l k , b c l k , c c l k , d