“中國制造2025”的核心數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能化制造，不是隨意的排列，而是理性的科學(xué)遞增，三者是自動化不同層次的表現(xiàn)，是實現(xiàn)更高層次的“綜合自動化”，是當(dāng)代自動化技術(shù)發(fā)展的方向。
本期以佶龍公司的彩虹型磁棒圓網(wǎng)印花機(jī)電氣系統(tǒng)與諸位討論染整“綜合自動化”技術(shù)。
早期圓網(wǎng)印花機(jī)的圓網(wǎng)傳動采取機(jī)械式共軸傳動方式，印花精度低，機(jī)械傳動噪聲大，使用壽命短。直到20世紀(jì)90年代中期，隨著電子術(shù)的發(fā)展，特別是步進(jìn)電動機(jī)及伺服電動機(jī)的廣泛應(yīng)用，使每只圓網(wǎng)可由一臺單獨的電動機(jī)傳動。
傳動電動機(jī)可采用步進(jìn)電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)兩種，與之配套的控制系統(tǒng)構(gòu)成方式多種多樣，有單片機(jī)多機(jī)控制、計算機(jī)分布式控制、PLC控制及CAN現(xiàn)場總線控制等方式。
同仁甲：請介紹圓網(wǎng)獨立傳動方案。
主持人：圓網(wǎng)獨立傳動即每只圓網(wǎng)由一臺獨立的交流伺服電動機(jī)或步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，印花導(dǎo)帶采用專門的交流變頻電動機(jī)驅(qū)動。獨立傳動控制系統(tǒng)利用先進(jìn)的計算機(jī)和檢測手段可以精確地測量導(dǎo)帶的運行速度，再通過計算機(jī)系統(tǒng)的運算，控制每個印花單元，最終達(dá)到圓網(wǎng)和導(dǎo)帶的高精度位置跟隨運轉(zhuǎn)。
1. 圓網(wǎng)獨立傳動
圓網(wǎng)獨立傳動分為步進(jìn)電動機(jī)傳動及伺服電動機(jī)傳動。
1.1 伺服電動機(jī)傳動
圖1是一個典型的全數(shù)宇伺服電動機(jī)傳動系統(tǒng)框圖。全數(shù)字伺服電動機(jī)傳動系統(tǒng)采用位置控制、速度控制和力矩控制的三環(huán)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件大致由以下幾部分組成：電源單元、功率逆變和保護(hù)單元、檢測器單元、數(shù)字控制器單元、接口單元。
1.1.1 電源單元
電源單元包括功率逆變器供電電源、控制電路供電和電源保護(hù)。逆變器供電電源由三相交流不可控橋式整流及無源濾波網(wǎng)絡(luò)濾波得到。為避免通電時出現(xiàn)過大的瞬時電流和電動機(jī)制動時產(chǎn)生過高的泵升電壓，它一般帶有軟啟動和能量泄放電路?？刂齐娫匆话阌勺约ふ袷幨介_關(guān)電源產(chǎn)生。電源保護(hù)主要是指交流輸入端的缺相、欠壓和過壓，直流輸出端的過流、欠壓和過壓以及泵升電路的超時保護(hù)。電源保護(hù)是系統(tǒng)可靠運行的重要保證。
1.1.2 功率逆變和保護(hù)單元
功率逆變器的功能是根據(jù)控制電路的指令，將電源單元提供的高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧妱訖C(jī)定子繞組中的三相交流電，以產(chǎn)生所需電磁力矩。這部分可以采用集成驅(qū)劫電路、保護(hù)電路和功率管于一體的智能功率模塊(IPM) 。IPM實現(xiàn)了功率管的優(yōu)化驅(qū)動和就地保護(hù)，提高了功率逆變器的性能?，F(xiàn)有智能功率模塊的功率管為IGBT，其開關(guān)頻率可達(dá)20kHz，可以滿足大多數(shù)伺服系統(tǒng)的耍求，但在選用較高的開關(guān)頻率時，應(yīng)采取措施以解決開關(guān)損耗與電壓利用率低等問題。
1.1.3 檢測器單元
檢測器單元包括反饋電流和反饋位置檢測。電流反饋環(huán)節(jié)主要是抗電網(wǎng)電壓擾動和提高系統(tǒng)的電流跟蹤速度，實際系統(tǒng)中主要采用無接觸式的電流霍爾傳感器，采樣電動機(jī)定子電流。位置檢測的精度直接影響伺服系統(tǒng)的定位精度，對于采用矢量控糊的永磁同步伺服系統(tǒng)，位置檢測還直接影響坐標(biāo)變換的精度。實際應(yīng)用的位置檢測器有光電編碼器和無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。光電編碼器能簡單地檢測出位置，處理電路也很簡單，而且價格便宜，但對于機(jī)械振動以及煙霧塵埃等惡劣條件很敏感。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器傳送的是低頻的正弦波信號，故堅固可靠，不受電氣噪聲的影響，由于處理回路的不同，分辨率可調(diào)，多用于軍工產(chǎn)品。但需耍專用的檢測和轉(zhuǎn)換芯片，成本高，處理電路復(fù)雜。
(1)光電編碼器。光電編碼器是復(fù)合式的光電編碼器，它是一種帶有簡單磁極定位功能的增量式光電編碼器，它輸出兩組信息：一組用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能，輸出三路彼此相差120°的脈沖U、V、W；另一組完全同增量式光電編碼器，輸出三路方波脈沖A、B和Z。A、B兩路脈沖相位羞90°，這樣可以方便地判斷轉(zhuǎn)向，Z脈沖每轉(zhuǎn)一個，用于基準(zhǔn)點定位。所有輸出一般為差動形式的脈沖信號，只要是速度足夠快的差動接收器(如MC3486、AM26LS32)和光隔離器(如6N137)就能夠?qū)⑦@類脈沖信號進(jìn)行處理。處理后的信號引入數(shù)字控制器的計數(shù)器單元，用于電動機(jī)控制的專用控制器都集成了倍頻和鑒相電路，可以增加檢測精度和判別轉(zhuǎn)向。U、V、W信號用于永磁同步伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁極的初始定位。光電編碼器位置檢測原理圖如圖2所示。
(2)無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器發(fā)出的信號是模擬量，需無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(RDC，如AD公司的AD2S80a)配合使用，將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)宇量，以實現(xiàn)與數(shù)字控制器的接口，如圖3所示。 AD2S80a是AD公司的AD2S80系列的一種RDC芯片。它的精度可調(diào)，針對不同應(yīng)用場合可以選擇10bits、12bits、14bits、16bits數(shù)字化絕對位置量輸出；采用對稱電阻橋抑制電阻溫漂、輸人輸出隔離投術(shù)，保證干擾降至極小；狀態(tài)、控制信號數(shù)字化，可方便地與微控制器相連；需外部正弦波發(fā)生器作為旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁信號源。
1.1.4 數(shù)字控制器單元
數(shù)字控鉗器(DSP)是全數(shù)字伺服系統(tǒng)的核心部分。三環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成、電動機(jī)控制算法實現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)器計算和脈寬調(diào)制波的發(fā)出都由數(shù)字控制器完成。為了使交流伺服系統(tǒng)得到響應(yīng)速度更快、實時性更強(qiáng)的數(shù)字式電流控制，數(shù)字信號處理器被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)。
電動機(jī)控制的專有DSP芯片，除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電動機(jī)控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、AWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通信電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序儲器等。
（1）位置環(huán)的作用。圖4中位置環(huán)的作用是產(chǎn)生電動機(jī)的速度指令并使電動機(jī)準(zhǔn)確定位和跟蹤。通過設(shè)定的目標(biāo)位置與電動機(jī)的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生電動機(jī)的速度指令，當(dāng)電動機(jī)初始啟動后（大偏差區(qū)域），應(yīng)產(chǎn)生最大速度指令，使電動機(jī)加速并以最大速度恒速運行，使電動機(jī)減速運行直至最終定位。為避免超調(diào)，位置環(huán)的調(diào)節(jié)器應(yīng)設(shè)計為單純的比例(P)調(diào)節(jié)器，為了系統(tǒng)能實現(xiàn)準(zhǔn)確的等速跟蹤，位置環(huán)還應(yīng)設(shè)置前饋環(huán)節(jié)。在位置伺服系統(tǒng)中，當(dāng)不同螺距的絲杠與各種步距角的電動機(jī)或不同一轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的伺服電動機(jī)相配時，或通過各種變速齒輪聯(lián)結(jié)時，通過系統(tǒng)的電子齒輪比參數(shù)設(shè)定，可以使編程與實際運動距離保持一致。
（2）速度環(huán)的作用。速度環(huán)的作用是保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與指令值相一致，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動等因素對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。速度指令與反饋的電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速相比較，其差值通過速度調(diào)節(jié)器直接產(chǎn)生q軸指令電流，力矩電流信號控制電動機(jī)加速、減速或勻速，從而使電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。速度調(diào)節(jié)器通常采用的是PI控制方式，對于動態(tài)響應(yīng)、速度恢復(fù)能力要求特別高的系統(tǒng)，可以考慮采用結(jié)構(gòu)(滑模)控制方式或自適應(yīng)控制方式等。
（3）電流環(huán)的作用。電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成，如圖5所示。
其作用是使電動機(jī)繞組電流實時、準(zhǔn)確地跟蹤電流參考信號。在全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)中，分別對d、q軸電流進(jìn)行控制。q軸指令電流來自于速度環(huán)的輸出，d軸指令電流直接給定，或者由弱磁控鋤器給出。將電動機(jī)的三相反饋電流迸行3/2、旋轉(zhuǎn)變換，得到d、q軸的反饋電流，d、q軸的給定電流和反饋電流的差值通過PI控制器得到給定電壓，再由數(shù)字式SVPWM算法產(chǎn)生PWM信號。為防止電動機(jī)啟動過程中產(chǎn)生過大的電流超調(diào)，對逆變器造成不利影響，電流控制器也可以采用IP控制器。為了獲得電流控制的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，可以應(yīng)用預(yù)測電流控制器，利用繞組實際電流的采樣值與參考電流的采樣值及電動機(jī)的電壓方程，計算出強(qiáng)迫實際電流跟隨參考電流所需的電壓，通過PWM控制逆變器，采用積分補償環(huán)節(jié)，可以有效地彌補電動機(jī)參數(shù)變化對電壓計算結(jié)果的影響。其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜并需要高速微處理器。
當(dāng)采用DSP構(gòu)成全數(shù)宇交流伺服系統(tǒng)時，其所有控制功能可以由軟件實現(xiàn)，故有利于提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本，并且可以采用先迸的現(xiàn)代控制策略，獲得更高的控制性能，完成數(shù)據(jù)存儲、故障診斷、故障冗余等功能，使交流伺服系統(tǒng)更趨于智能化。
1.1.5 接口單元
在伺服系統(tǒng)中的接口單元包括指令輸人接口、異步通信接口(RS-232/RS-485)、CAN總線接口、I/O控制單元以及故障報警單元。指令輸人接口接收CNC系統(tǒng)發(fā)出的位置指令脈沖以及模擬形式的速度指令。異步通信接口多作為用戶對系統(tǒng)的操作接口，短距離采用RS-232協(xié)議，距離較遠(yuǎn)時采用RS-485協(xié)議。CAN總線是一種工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在一些新推出的DSP器件(如TI的TMS320LF240X)中，集成了CAN總線的收發(fā)器。這使得伺服裝置可以更方便地運用于大型的工業(yè)控制系統(tǒng)中I/O控制單元接收和發(fā)送各種I/O信號形式的指令和狀態(tài)、伺服使能、CW/CCW禁止、脈沖禁止、報警清除、位置/速度到達(dá)、伺服準(zhǔn)備好等。故障報警單元包括碼盤故障報警、電源故障報警、功率逆變器故障報警、電動機(jī)過載/失速寂警、伺服報警等，及時通知用戶故障類別，使系統(tǒng)在故障時能及時得到處理，以免造成更大損失。設(shè)計友好而通用的接口單元是提高系統(tǒng)可靠性、增強(qiáng)伺服驅(qū)動器竟?fàn)幜Φ闹匾侄巍?/span>
