基於FPGA的集中式圓網印花機控制器的設計

tags:    時間:2014-03-11 15:50:07
基於FPGA的集中式圓網印花機控制器的設計簡介
    圓網印花機是多分部協調運動的電氣傳動系統,由於具有速度快、成本低的優點,目前廣泛應用於印染工業中。圓網印花的工藝要求各個印花圓網之間以及圓網與送布皮帶之……
基於FPGA的集中式圓網印花機控制器的設計正文
    
圓網印花機是多分部協調運動的電氣傳動系統,由於具有速度快、成本低的優點,目前廣泛應用於印染工業中。圓網印花的工藝要求各個印花圓網之間以及圓網與送布皮帶之間保持嚴格的同步運動,同步控制的好壞直接影響印花質量。因此,設計研製高性能的圓網印花機控制器成為研製圓網印花機的關鍵。印花傳送帶經主動電機拖動,以穩定的線速度運行。各印花篩網分別由步進電機拖動跟蹤送布帶,迅速達到同速運轉,再經過快速調整,使各個篩網的零位標誌會合。此時,織物進入印花機,進入生產過程。在穩態運行過程中,要求各個篩網不僅能夠自動調整由皮帶速度變化、自身干擾等造成的誤差,而且能夠根據前級誤差確定自身的最佳會合點。傳統印花機存在著:系統的可靠性低、(例如:採用分散式設計、cpu計算能力的限制)成本高等缺點已不能適應靈活多變的市場需要。因此,設計研製高性能圓網印花機控制器成為研製新型圓網印花機的關鍵。
2??工作過程及控制結構

圖1??圓網印花機工作原理圖

圓網印花機由四個單元組成:進布單元、印花單元、烘房單元和落布單元。其工作原理如圖1所示,織物在進布電機的傳送下進入機台,送至印花導帶上,並被粘貼在印花導帶上。織物經過印花圓網時,由印花導帶和印花圓網的同步運動,使各種印花染料經印花圓網轉移到織物上,從而完成印花過程。印花后的織物在鬆弛狀態下,被送至烘房進行烘躁處理。烘乾后的織物最後由落布單元送出機台,這樣就完成了整個印花過程。

圓網印花機是多軸運動機械,所以穩定的印花導帶運行速度、高性能的圓網位置控制系統是保證圓網印花機印花精度的關鍵所在。

3??控制系統的設計
以往都採用分散式圓網印花機控制器的設計方案,這種方案具有便於分解和處理複雜問題,局部故障不易導致系統整體崩潰的優勢。但是分散式控制有安裝複雜,成本高,抗干擾性差,可靠性低等缺點。然而採用fpga和單片機的集中式圓網印花機的控制器可以提高系統的可靠性和控制精度。這種控制方案有安裝方便,適應廣,控制演算法極易實現,抗干擾好,可靠性高,互換性好,板子體積小等優點。整個系統設計框圖如圖2所示。

圖2??圓網控制系統組成原理圖
在實際印花過程中,造成錯花的原因是多方面的。從整體分析,錯花是由兩個方面的原因引起的:一是由於機械部分的非線性特性造成的錯花;二是由於控制系統中圓網與導帶之間、圓網與圓網之間,不同傳動鏈的傳動特性不同而導致位置不同步造成的錯花。機械部分的非線性特性造成的錯花現象由機械加工特性決定,在加工成形后是固定不變的。用電子齒輪技術代替傳統的機械傳動跟隨控制技術,通過改變電子齒輪演算法實現動態跟蹤。電子齒輪能實現電子齒輪比的實時調整,提高了工作的可靠性和柔性,減少了累積誤差。

4??電子齒輪的設計

伺服系統的精度由編碼器的線數決定,而通過電子齒輪設定可以使指令脈衝設為任意值。電子齒輪的作用就是用電子電路的方式實現機械式齒輪的功能。機械齒輪的功能就是實現傳動速度的變化(增速或減速),電子齒輪同理,是對指令脈衝的頻率進行調節(見圖3)。

圖3
指令裝置發脈衝,經過4倍頻處理進入電子齒輪環節,再輸出給脈衝接收裝置。通過電子齒輪環節中不同的電子齒輪比,保證輸出脈衝和輸入脈衝的頻率關係比稱線性關係(其比值即等於電子齒輪比)。當電子齒輪比固定時,輸出脈衝頻率隨輸入脈衝頻率的變化而變化。通過以上的理論原理,可以利用quartusii設計電子齒輪如圖4所示。altera的quartus?ii可編程邏輯軟體屬於第四代pld開發平台,提供可編程邏輯的設計環境。

圖4??基於quartus?ii設計的電子齒輪

5??結束語

為了保證印花過程中不錯花,控制系統必須保證在誤差範圍內圓網之間的同步,同時必須保證圓網速度與導帶速度恆定。本文提出的採用fpga和單片機的集中式控制系統,它能減少系統的干擾,從而提高印花精度。本次設計調試已經成功。實際運行和測試結果表明,系統功能基本實現,精度到達設計要求。

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