伺服控制系统在喷绘机中的应用

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。

0 引言

随着国内经济的蓬勃发展，广告业也随之迅速发展。喷绘行业是中国当前广告市场中利润率较高的行业，因其多种应用具有广阔的市场前景。近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。

目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

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，现在喷绘机普遍选用这一类电机作为送布电机和小车板控制电机。随着喷绘市场对喷绘精度和喷绘速度的不断追求，UV平板喷绘机将逐渐被推向市场。随着UV平板喷绘机的发展，配套的伺服电机也将升级换代。在中高端的喷绘机市场上将以交流伺服电机系统为主。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。

1 喷绘机工艺及原理

1.1喷绘机工艺

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。

1.2喷绘机原理

图 1喷绘机原理图

1.2.1 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。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可用于语限位、原点开关等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。

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。

如果你的运动控制卡时比较好的卡，伺服刷新率可以达到要求，可以把编码器反馈直接接到运动控制卡，形成一个整体的闭环。若对对精度有很高的要求可以用双闭环，运动控制卡就是根据要求x-y平台运行的位置，控制电机运动到准确的位置。

1.2.2 PC总线

现有的放开式数控系统实现方案主要采用PC机和数控系统结合的方法，PC机作为上位机实现较为复杂的网络通信，人机交互等功能，数控系统作为下位机将上位机输入的运行参数经过处理交给执行部件执行，同时将检测系统的反馈信息上传给上位机实现实时监控，各个模块之间协调工作互不干扰，给系统升级带来了方便。

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。