本期以佶龙公司的彩虹型磁棒圆网印花机电气系统与诸位讨论染整“综合自动化”技术。
早期圆网印花机的圆网传动采取机械式共轴传动方式，印花精度低，机械传动噪声大，使用寿命短。直到20世纪90年代中期，随着电子术的发展，特别是步进电动机及伺服电动机的广泛应用，使每只圆网可由一台单独的电动机传动。
传动电动机可采用步进电动机和交流伺服电动机两种，与之配套的控制系统构成方式多种多样，有单片机多机控制、计算机分布式控制、PLC控制及CAN现场总线控制等方式。
同仁甲：请介绍圆网独立传动方案。
主持人：圆网独立传动即每只圆网由一台独立的交流伺服电动机或步进电动机驱动，印花导带采用专门的交流变频电动机驱动。独立传动控制系统利用先进的计算机和检测手段可以精确地测量导带的运行速度，再通过计算机系统的运算，控制每个印花单元，最终达到圆网和导带的高精度位置跟随运转。
1. 圆网独立传动
圆网独立传动分为步进电动机传动及伺服电动机传动。
1.1 伺服电动机传动
图1是一个典型的全数宇伺服电动机传动系统框图。全数字伺服电动机传动系统采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。系统硬件大致由以下几部分组成：电源单元、功率逆变和保护单元、检测器单元、数字控制器单元、接口单元。
1.1.1 电源单元
电源单元包括功率逆变器供电电源、控制电路供电和电源保护。逆变器供电电源由三相交流不可控桥式整流及无源滤波网络滤波得到。为避免通电时出现过大的瞬时电流和电动机制动时产生过高的泵升电压，它一般带有软启动和能量泄放电路。控制电源一般由自激振荡式开关电源产生。电源保护主要是指交流输入端的缺相、欠压和过压，直流输出端的过流、欠压和过压以及泵升电路的超时保护。电源保护是系统可靠运行的重要保证。
1.1.2 功率逆变和保护单元
功率逆变器的功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的高压直流电转变为伺服电动机定子绕组中的三相交流电，以产生所需电磁力矩。这部分可以采用集成驱劫电路、保护电路和功率管于一体的智能功率模块(IPM) 。IPM实现了功率管的优化驱动和就地保护，提高了功率逆变器的性能。现有智能功率模块的功率管为IGBT，其开关频率可达20kHz，可以满足大多数伺服系统的耍求，但在选用较高的开关频率时，应采取措施以解决开关损耗与电压利用率低等问题。
1.1.3 检测器单元
检测器单元包括反馈电流和反馈位置检测。电流反馈环节主要是抗电网电压扰动和提高系统的电流跟踪速度，实际系统中主要采用无接触式的电流霍尔传感器，采样电动机定子电流。位置检测的精度直接影响伺服系统的定位精度，对于采用矢量控糊的永磁同步伺服系统，位置检测还直接影响坐标变换的精度。实际应用的位置检测器有光电编码器和无刷旋转变压器。光电编码器能简单地检测出位置，处理电路也很简单，而且价格便宜，但对于机械振动以及烟雾尘埃等恶劣条件很敏感。无刷旋转变压器传送的是低频的正弦波信号，故坚固可靠，不受电气噪声的影响，由于处理回路的不同，分辨率可调，多用于军工产品。但需耍专用的检测和转换芯片，成本高，处理电路复杂。
(1)光电编码器。光电编码器是复合式的光电编码器，它是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码器，它输出两组信息：一组用于检测磁极位置，带有绝对信息功能，输出三路彼此相差120°的脉冲U、V、W；另一组完全同增量式光电编码器，输出三路方波脉冲A、B和Z。A、B两路脉冲相位羞90°，这样可以方便地判断转向，Z脉冲每转一个，用于基准点定位。所有输出一般为差动形式的脉冲信号，只要是速度足够快的差动接收器(如MC3486、AM26LS32)和光隔离器(如6N137)就能够将这类脉冲信号进行处理。处理后的信号引入数字控制器的计数器单元，用于电动机控制的专用控制器都集成了倍频和鉴相电路，可以增加检测精度和判别转向。U、V、W信号用于永磁同步伺服系统转子磁极的初始定位。光电编码器位置检测原理图如图2所示。
(2)无刷旋转变压器。无刷旋转变压器发出的信号是模拟量，需无刷旋转变压器、数字转换器(RDC，如AD公司的AD2S80a)配合使用，将其转换成为数宇量，以实现与数字控制器的接口，如图3所示。 AD2S80a是AD公司的AD2S80系列的一种RDC芯片。它的精度可调，针对不同应用场合可以选择10bits、12bits、14bits、16bits数字化绝对位置量输出；采用对称电阻桥抑制电阻温漂、输人输出隔离投术，保证干扰降至极小；状态、控制信号数字化，可方便地与微控制器相连；需外部正弦波发生器作为旋转变压器的励磁信号源。
1.1.4 数字控制器单元
数字控钳器(DSP)是全数字伺服系统的核心部分。三环系统构成、电动机控制算法实现、系统调节器计算和脉宽调制波的发出都由数字控制器完成。为了使交流伺服系统得到响应速度更快、实时性更强的数字式电流控制，数字信号处理器被广泛应用于交流伺服系统。
电动机控制的专有DSP芯片，除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电动机控制的专用集成电路，如A/D转换器、AWM发生器、定时计数器电路、异步通信电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序储器等。
（1）位置环的作用。图4中位置环的作用是产生电动机的速度指令并使电动机准确定位和跟踪。通过设定的目标位置与电动机的实际位置相比较，利用其偏差通过位置调节器来产生电动机的速度指令，当电动机初始启动后（大偏差区域），应产生最大速度指令，使电动机加速并以最大速度恒速运行，使电动机减速运行直至最终定位。为避免超调，位置环的调节器应设计为单纯的比例(P)调节器，为了系统能实现准确的等速跟踪，位置环还应设置前馈环节。在位置伺服系统中，当不同螺距的丝杠与各种步距角的电动机或不同一转脉冲数的伺服电动机相配时，或通过各种变速齿轮联结时，通过系统的电子齿轮比参数设定，可以使编程与实际运动距离保持一致。
（2）速度环的作用。速度环的作用是保证电动机的转速与指令值相一致，消除负载转矩扰动等因素对电动机转速的影响。速度指令与反馈的电动机实际转速相比较，其差值通过速度调节器直接产生q轴指令电流，力矩电流信号控制电动机加速、减速或匀速，从而使电动机的实际转速与指令值保持一致。速度调节器通常采用的是PI控制方式，对于动态响应、速度恢复能力要求特别高的系统，可以考虑采用结构(滑模)控制方式或自适应控制方式等。
（3）电流环的作用。电流环由电流控制器和逆变器组成，如图5所示。
其作用是使电动机绕组电流实时、准确地跟踪电流参考信号。在全数字交流伺服系统中，分别对d、q轴电流进行控制。q轴指令电流来自于速度环的输出，d轴指令电流直接给定，或者由弱磁控锄器给出。将电动机的三相反馈电流迸行3/2、旋转变换，得到d、q轴的反馈电流，d、q轴的给定电流和反馈电流的差值通过PI控制器得到给定电压，再由数字式SVPWM算法产生PWM信号。为防止电动机启动过程中产生过大的电流超调，对逆变器造成不利影响，电流控制器也可以采用IP控制器。为了获得电流控制的良好稳态和动态性能，可以应用预测电流控制器，利用绕组实际电流的采样值与参考电流的采样值及电动机的电压方程，计算出强迫实际电流跟随参考电流所需的电压，通过PWM控制逆变器，采用积分补偿环节，可以有效地弥补电动机参数变化对电压计算结果的影响。其缺点是结构复杂并需要高速微处理器。
当采用DSP构成全数宇交流伺服系统时，其所有控制功能可以由软件实现，故有利于提高系统的可靠性，降低系统的成本，并且可以采用先迸的现代控制策略，获得更高的控制性能，完成数据存储、故障诊断、故障冗余等功能，使交流伺服系统更趋于智能化。
1.1.5 接口单元
在伺服系统中的接口单元包括指令输人接口、异步通信接口(RS-232/RS-485)、CAN总线接口、I/O控制单元以及故障报警单元。指令输人接口接收CNC系统发出的位置指令脉冲以及模拟形式的速度指令。异步通信接口多作为用户对系统的操作接口，短距离采用RS-232协议，距离较远时采用RS-485协议。CAN总线是一种工业现场总线标准，在一些新推出的DSP器件(如TI的TMS320LF240X)中，集成了CAN总线的收发器。这使得伺服装置可以更方便地运用于大型的工业控制系统中I/O控制单元接收和发送各种I/O信号形式的指令和状态、伺服使能、CW/CCW禁止、脉冲禁止、报警清除、位置/速度到达、伺服准备好等。故障报警单元包括码盘故障报警、电源故障报警、功率逆变器故障报警、电动机过载/失速寂警、伺服报警等，及时通知用户故障类别，使系统在故障时能及时得到处理，以免造成更大损失。设计友好而通用的接口单元是提高系统可靠性、增强伺服驱动器竟争力的重要手段。
