基于圓網印花機多電機運動控制系統發展的研究

譚峰亮,宋曉榮,李 進

（1.西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安 710048；2.西安德高佳美印染設備有限公司 陜西 西安 710018）

圓網印花機歷經長時間發展，印花精度、印花速度以及自動化程度都有了很大的提升，圓網同步傳動是圓網印花機傳動的核心。對圓網印花機的同步控制系統的基本工作原理以及三代控制系統的發展過程進行了簡單論述。

1 第一代圓網印花機

第一代圓網印花機的同步控制系統的最主要特點是網頭傳動采用步進電機驅動。

圓網印花機的傳動部分包括：導帶傳動電動機、導帶傳動輥、圓網傳動步進電機等。傳動特點是圓網傳動分別由一臺步進電機傳動，導帶單獨由一臺電動機傳動。如圖1所示。

在導帶傳動系統上裝一個編碼器，編碼器的脈沖信號經過一臺內置電子齒輪功能的上位機控制器處理后，通過RS485傳輸脈沖信號控制圓網傳動步進電機，通過改變控制器內部電子齒輪的參數就可以改變圓網與導帶之間的運行的速差。圓網與導帶的同步控制是整個獨立傳動的核心，其控制方式為導帶和圓網主從之間的跟隨的同步控制方式。其核心是控制圓網傳動電動機以一定的比例關系跟隨導帶做位置同步運行，要求所有的圓網電機保持相同的位置關系。經過電子齒輪分頻后的編碼器信號同對花插補信號疊加輸出控制圓網傳動步進電機。原理如圖2所示。

第一代圓網印花機的同步步進電機是開環運行的，當步進電機出現丟步和失步的時候，系統本身缺少必要的檢測和修正手段。啟動頻率過高或者負載過大都容易出現丟步或者堵轉的情況，所以為保證控制精度，應處理好電機的加減速問題。

以步進電機為網頭驅動的第一代圓網印花機是脈沖同步方式控制的，步進電機的精度決定了圓網印花機的精度。兩相混合式步進電機距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進電

圖1 第一代圓網印花機傳動系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the first generation of rotary screen printing machine system transmission

圖2 編碼器信號同對花插補信號疊加原理示意圖Fig. 2 Schematic diagram of superposition of encoder signal and pulse interpolation

機步距角一般為0.72°、0.36°[1]。也有一些高性能的步進電機步距角更小，其步距角為0.09°甚至還可以更小，如德國的三相混合式步進電機，其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°， 兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。下圖列出6種型號的步進電機的距頻特性[2]。

從圖中可見，當輸入的脈沖頻率在一定的范圍時，步進電機的輸出動態轉矩基本保持不變，在圖中基本為一水平直線，但當輸入脈沖頻率達到一定值時，電機所能帶動的負載轉矩將劇烈下降。

步進電機過載能力較差，當負載超過其極限承受范圍的時候，電機直接停止工作，為了克服這個缺點，需要選取較大轉矩的電機，會出現力矩浪費的情況。但如果步進電機控制系統處理得當，其轉矩選擇合適，步進電機完全可以應用在圓網獨立傳動系統上。

圖3 六種步進電機的距頻特性Fig. 3 Torque and frequency of six kinds stepper motor

圖4 第二代圓網印花機傳動系統示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the second generation of rotary screen printing machine system transmission

2 第二代圓網印花機

第二代圓網印花機的同步控制系統的最主要特點是網頭傳動采用伺服電機驅動，電機同步仍然保持脈沖位置控制方式。

在伺服傳動系統中，上位機以并行的方式向控制每個網頭伺服電機的分計算機板發送指令脈沖，分機板將接受到的指令脈沖經過處理發送給各個圓網印花單元的伺服驅動器控制伺服電機轉動。通過并行的方式發送指令脈沖，避免了脈沖延時，使各個圓網伺服電機保持嚴格同步，在很大程度上提高了整機的套印精度。上位機控制速度板的脈沖輸出能控制整車的運行、加速、減速、停止等狀態，操作簡單并且有效提高了整機運行。因為采用閉環控制的交流伺服系統，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機丟步或失步的情況，可控性更加強。

交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證，以松下全數字式交流伺服電機為例，對于帶2 500線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360o/10 000=0.036°。對于17位編碼器的電機而言，驅動器每接收217=131 072個脈沖，電機旋轉一圈，其脈沖當量為360o/131 072=9.89″，是步距角為1.8°的步進電機脈沖當量的1/655[3]。

交流伺服電機具有較強的過載能力，以松下交流伺服電機為例，其最大的轉矩為額定轉矩的3倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。

3 第三代圓網印花機

第三代圓網印花機是基于第二代伺服電機控制系統的基礎上，運用更加先進的通訊控制技術，是真正意義上的多軸伺服同步控制系統。第二代圓網伺服同步系統只是一個局部的閉環控制，伺服電機的同步控制是通過位置同步脈沖來實現的，伺服電機僅僅相當于一個高性能的步進電機，而整個同步控制系統無法實現高精度。第三代圓網印花機多軸伺服同步控制系統是一個大閉環控制系統，各網頭驅動的伺服電機的編碼器位置反饋信息，不僅反饋給伺服驅動器，而且通過實時通訊技術反饋到上位機，上位機將各伺服電機的實際位置與指令位置相比較運算，再通過通訊下達下一新的位置指令，從而實現了多軸系統的高精度同步控制。如圖5所示。

隨著工業以太網技術在確定性、實時性、安全性、抗干擾能力等方面的不斷發展和完善，工業以太網技術已經被應用到了控制領域，基于Ethernet/IP的工業以太網現場總線技術，其超高的速率要比傳統現場總線要快得多。Ethernet/IP網絡技術和CIP Motion技術的結合，滿足了工業控制在標準Ethernet上對高性能、實時、閉環、確定性伺服控制的需求，它為多軸、分布式伺服控制提供了一個開放、高帶寬和高性能的解決法案。采用CIP Sync協議就可以達到±100 ns的時鐘同步精度，這滿足了絕大部分控制系統的要求，CIP Motion最高允許100軸的伺服控制[4]。

德高機電新一代的圓網印花機多電機伺服同步控制系統運用工業以太網技術將上位機、網頭控制計算機、伺服同步電機以及整機控制的PLC組成一個實時通訊的同步控制系統，不僅提升了圓網印花機的性能指標，而且還能具有遠程監控的功能，將圓網印花機的自動化、智能化控制水平提升到新的高度。

4 結束語

從三代圓網印花機傳動系統的分析中，具體比較了各個圓網傳動系統的優勢和劣勢。為下一步的技術革新總結了經驗。

圖5 第三代圓網印花機傳動系統示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the third generation of rotary screen printing machine system transmission

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