数码喷印机纠偏测试方法与控制器电路的研究.docx
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数码喷印机纠偏测试方法与控制器电路的研究
目录
摘要
第一章绪论3
1.1研究背景与意义3
1.2纠偏控制系统原理3
1.3课题研究的主要内容4
第2章纠偏控制系统组成4
2.1传感器4
2.2控制器4
2.3执行机构5
2.4本课题的纠偏控制系统组成5
第3章执行机构设计与实现5
3.1概述5
3.2直流伺服系统实现6
3.3滚珠丝杠9
第4章控制系统设计与实现9
4.1概述9
4.2输入部分10
4.4输出部分12
第5章结论12
参考文献12
摘要
本文对纠偏控制系统的原理和组成进行了详细地阐述，并基于此设计了基于CCD传感器的纠偏系统，期望能够应用于数码喷印机中。
总结了现有纠偏控制系统传感器部分、控制器部分和执行机构部分的常见实现；设计并实现了由微控制器及其外围电路构成的纠偏控制器；设计并实现了由直流伺服电机和滚珠丝杠构成的纠偏执行机构。
关键词：
纠偏控制系统；控制器；纠偏执行机构
第一章绪论
1.1研究背景与意义
数码喷印机在进行喷印过程中，由于受到各种因素的干扰往往使喷印出现误差。
这些因素主要有数码喷印机速度较大，张力难以恒定，再加上导辊和压辊的相对滑动，承印材料的弹性收缩，各个印刷单元受热交换器冷热风的影响，各印版滚筒之间的张力变化等。
以上种种因素都会影响承印物体而产生细微变化，这种变化导致喷印位置的偏差，并且具有连续性，偏差量或大或小，所以要不断监视，修正误差，才能保证套准精度。
国外的数码喷印机大多配备有自动套准系统，印刷速度较高。
如IC-470型型自动喷印控制系统，它采用模拟信号处理集成电路控制套色偏差；DT-860型自动喷印控制系统，它采用Z80CPU，最多可控制六色印刷机的对版喷印，印刷速度最高可达220mm/min，喷印精度小于0.2mm，属于自动化程度高，功能较为完善的喷印控制系统；DT-950型自动喷印系统控制水平更高，它利用工控机作为控制核心，人机界面更为友好，操作简便直观，极大的减轻了工人的劳动强度。
它的套准自动化功能是寻找马克线的工作完全由控制系统完成，不再由人工进行干预。
这极大地提高了印刷品的质量，方便了工人的操作，提高了生产效率和产品的质量。
由于国外的自动套准系统价格昂贵，国内中小企业难以承受而且它们一般与相应的数码喷印机配套使用，不能直接应用于国内的数码喷印机，所以研制具有较高性能价格比的自动套准系统具有很重要的现实意义，不但可以提高国产设备的技术水平，而且可以大量节省外汇，增强我们产品的国际竞争力。
1.2纠偏控制系统原理
所有的自动纠偏控制系统都基于一个很简单的作业流程原理，甚至是最复杂的任务都适用于这一原理。
首先，当物料在传感器下方经过时，传感器检测物料实际边缘，线条或颜色对比分界线所在的位置，并将检测到的信号传送给控制器，控制器判断物料实际位置与设定的基准位置是否一致偏移方向，偏移量，然后发出相关的纠正信号给执行机构，最后由执行机构驱动物料返回到设定位置，完成整个纠偏过程，如图1所示。
由此可见，一套纠偏控制系统必须包括传感器、控制器和执行机构三大部分。
1.3课题研究的主要内容
本文从纠偏控制系统的基本工作原理出发，分析了纠偏控制系统的各组成部分。
在此基础上设计并实现了一种以线阵为传感器，以为控制器，以直流伺服电机滚珠丝杠为执行机构的纠偏控制系统。
第2章纠偏控制系统组成
构成纠偏控制系统的三个主要部件是传感器、控制器和执行机构。
传感器的主要任务是获取物料实际位置信息，然后发送给控制器控制器接收传感器端发送过来的信息，判断物料实际位置与设定位置的偏差，然后发送纠偏信号给执行机构执行机构接收到纠偏信号后完成整个纠偏过程。
纠偏过程就是由上述三个过程构成的一个闭环控制过程。
2.1传感器
传感器是纠偏控制系统的最前端，主要用来获取物料的实际位置，不同的传感器构成不同的纠偏控制系统。
常用的纠偏用传感器有红外线传感器、超声波传感器、传感器和可见光传感器等，适用于不同的纠偏场合。
2.2控制器
纠偏控制器的主要功能是将传感器给出的物料实际位置与设定的基准位置进行比较，计算出物料的偏差方向和大小，然后控制执行机构完成纠偏过程。
纠偏控制器可直接由数字电路构成，也可以由微控制器配合外围电路来实现。
2.3执行机构
纠偏执行机构的作用是接收控制器发过来的纠偏控制信号，完成整个纠过程。
执行机构一般由电机和丝杠两部分组成，为了消除纠偏过程中丝杠左右移动时产生的回程间隙，纠偏应用中的丝杠一般都会选择滚珠丝杠。
纠偏执行机构中的电机根据需要可以选择交流同步电机、步进电机或者直流伺服电机。
2.4本课题的纠偏控制系统组成
在纠偏领域，红外线、超声波和CCD传感器基本上覆盖了纠偏控制的各种应用场合，而CCD传感器更是由于它的高精度和宽应用，一直被用在最为高端的纠偏控制系统上。
本课题的传感器就是采用基于CCD的传感器，其系统框图如图2所示。
第3章执行机构设计与实现
3.1概述
纠偏控制系统的执行机构由直流伺服电机和滚珠丝杠组成。
控制器发送纠偏执行信号给电机驱动电路，驱动直流伺服电机动作，直流伺服电机通过连接装置与滚珠丝杠相连接，由滚珠丝杠将电机的转动变换为直线运动，带动与之相连接的可移动轴来完成整个纠偏过程。
整个过程如图所示。
图3执行机构系统框图
3.2直流伺服系统实现
为了获得较高的性能，本课题设计的纠偏控制系统的执行机构选用带有上述光电编码器的直流伺服电机，整个伺服系统如图4所示。
图4直流伺服系统框图
3.2.1F/V变换
编码器出来的是和电机转速成正比的脉冲信号，需将这一信号转换为相应的电压信号才能进行后续处理，这可以通过F/V变换电路来实现。
常用的F/V集成芯片有LM331、VFC32、AD651等，本设计中选用LM331来实现F/V变换。
LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。
LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工作频率低到.01Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达位外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成F/V变换电路，并且容易保证转换精度。
由LM331实现的F/V转换如图5所示。
此电路中，输出电压和输入频率信号的关系如式1所示。
（1）
由上面的输出电压和输入频率信号的关系可知，输出电压和负载电阻的大小是有关系的，为了避免后级的输入电阻影响F/V变换的值，需要在输出级加上由运放构成的电压跟随器后再送到后级去。
图5F/V转换电路
3.2.2PMW控制电路
F/V转换出来的电压信号需要和基准电压进行比较、放大并产生调节信号送给电机驱动芯片，这一步可以用TL494来实现。
是美国德州仪器公司最先生产的PWM发生器，它本是为开关电源而设计的，但至今除用于开关电源类电力电子设备之外，还用于直流调速、正弦波单相逆变电源等系统，在这里用它来实现直流调速。
TL494的内部结构和引脚说明可参考芯片datasheet。
由TL494组成的电机调速电路如图6所示。
该电机调速系统的原理是微控制器给出一个与特定转速相对应的电平信号Level送到运算放大器1的反相输入端—IN1，而测得的转速信号转化为相应的电平送到运算放大器的同向输入端+IN1，在负载稳定的情况下，电机以Level电平设定的转速运行。
当负载变大时，转速下降，同相输入端的电平随之下降，这时同相输入端与反向输入端的差值变小，因此运算放大器输出的信号幅值相应减小，根据TL494的特性，输出脉冲的宽度会增加，这样电机的转速就会上升直到回到原来设定的转速。
当负载变小时，转速上升，此电路按同样的原理使转速下降直到回到原来设定的转速。
此电路中，运算放大器1的放大倍数是伺服控制系统的增益，它是负载变化率的倒数。
3.2.3电机驱动电路
由TL494输出的信号电流较小，不足以驱动电动机正常工作，同时电动机的正反转也需要一定的驱动电路来实现。
在直流电机的正反转驱动电路中，使用的最广泛的是H型全桥
图6TL494调速电路
式电路，H型全桥式电路可以由分立元件实现，也可以由现成的集成芯片来完成，使用集成芯片的优点是实现方便，性能可靠。
常见的桥式驱动芯片有L298N，LMD18200和STK6855等，是SANYO公司的大电流H桥驱动器厚膜混合集成电路，采用MOSFET作为它的输出功率器件，降低损耗，增加输出电流的能力。
它设置了正、反转逻辑引脚和PWM控制端子，是一种外部附加元件少，使用方便的IC模块，非常适用于双向直流电动机的控制，我们的直流伺服电机就用它来作为驱动器件。
由STK6855构成的伺服电机驱动电路如图7所示。
图7伺服电机正反转驱动电路
其中，PWM信号是由TL494输出级送过来的，用于对电机的调速控制。
而正反转控制的两个信号A、B连接到纠偏控制器上，由控制器上的微控制器根据系统当前检测到的偏差方向进行相应设定，其逻辑如表1所示。
表1A、B信号真值表
状态
A
B
正向
H
L
反向
L
H
准备1（违规）
H
H
准备2
L
L
3.3滚珠丝杠
除了直流伺服电机外，执行机构的另一部分是滚珠丝杠。
滚珠丝杠是将螺母与丝杠分别加工成凹半圆弧形成螺纹，在螺纹之间放入滚珠形成的。
滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母或丝杠轴向移动，将原先传动中使用的螺纹摩擦变为滚动摩擦，因为降低了摩擦阻力，消除了局部爬行现象，从而提高了传动精度与传动机械效率。
滚珠丝杠有很多优点，主要为传动效率高，约为92％～96％，可消除轴向移动产生的间隙，定位精度高，刚度好，运行平稳，无爬行现象，传动精度好。
再次，旋转运动变为直线运动，丝杠与螺母都可作为主动件，磨损小，使用寿命长。
虽然成本相对较高，但是对于纠偏应用来说，滚珠丝杠是必不可少的。
电机和滚珠丝杠之间一般通过联轴器进行连接，也可以通过皮带等进行传动连接，本次设计中电机和滚珠丝杠用皮带进行连接。
滚珠丝杠一端与电机连接，另一端与可移动轴连接，这样，电机的旋转运动就可通过滚珠丝杠变成直线运动，然后带动可移动轴完成整个纠偏过程。
第4章控制系统设计与实现
4.1概述
控制器的工作是从传感器端获取位置信号，经过相关运算后，发送纠偏控制信号给电机驱动电路，由其驱动电机和执行机构完成整个纠偏过程。
因此，控制器必须具有与传感器通信的输入接口，进行数据运算和逻辑判断的微控制器以及与电机驱动电路连接的输出接口。
除此之外，为了构成一个实用的系统，一般还需增加一些额外的输入和输出功能，整个系统的框图如图8所示。
这是一个典型的输入—数据处理—输出结构。
输入部分由通信接口、键盘输入和限位开关输入组成，与传感器的接口采用了RS-485总线，以便与传感器端的RS-485通信，传感器和控制器之间的数据与控制信号交互就靠它来完成键盘输入主要用来完成参数设置，状态
图8控制器系统框图
切换，手动操作等功能限位开关信号输入是由外部的限位开关发送过来的，目的是为了实现限位保护。
数据处理部分由ARM微控制器及其外围电路构成，除了完成逻辑判断和数据处理外，它还为输入输出提供了各种接口，方便了电路的设计。
输出部分由电机驱动电路接口、彩色LCD、LED指示灯和报警电路构成，电机驱动电路接口是ARM纠偏信号输出和电机驱动电路信号输入之间的桥梁，彩色LCD是为图形用户界面而设，LED指示灯用来反映当前系统的操作状态，而报警电路则在系统出现限位时给用户以警告。
4.2输入部分
4.2.1键盘输入接口
键盘接口作为与用户的交互接口在纠偏控制系统中是必不可少的。
对系统按键功能归纳后可将按键分为三组：
用于状态切换的按键MANUAL、AUTO，其中AUTO接的ARM普通IO口，MANUAL和限位开关信号相与后接的ARM外部中断口。
用于参数设置的按键OK、ESC、INC、DEC，接ARM的四个普通IO口；用于手动状态下手动控制执行机构动作的按键、OUT，这两个按键不经由ARM，直接控制执行机构动作。
控制器共有自动和手动两种状态。
启动时系统处于手动状态，此时，系统循环查询IO口上的按键，当检测到按键是OK、ESC、INC、DEC时，执行参数设置操作，当检测到按键是AUTO时系统进入自动状态，然后不断从传感器接收信号并执行自动纠偏。
在自动状态下CPU只响应外部中断而不再检测其他按键。
当按下MANUAL键或限位发生时产生外部中断，系统退出自动状态回到手动状态，又开始循环检测IO口上的按键。
4.2.2限位开关输入接口
限位开关是用来对执行机构限位的，当检测到执行机构跑到最左端或最右端时，限位开关发出相应信号给微控制器，根据限位开关给出的信号停止电机某个方向的运转以防止执行机构和物料损坏，同时控制器发出一个报警信号通知用户有限位动作发生。
限位开关输入接口的设计如图9所示。
图9限位开关输入接口
限位信号是外部信号，可能通过长线连接到控制器上，为了防止外部可能的强共模干扰冲击，输入限位信号经过光耦隔离后再供控制器使用。
光耦的输入输出不共地，这就需要产生一组独立的电源给光祸的输入级供电，本设计中采用隔离UC/DCB2405S-1W来实现。
4.3数据处理部分
数据处理部分是由ARM微控制器来完成的，控制器上使用的ARM是和传感器板上相同的LPC2214。
使用LPC2214的好处是首先，LPC2214内部除了有16KB的RAM外，还带有256KB的高速内部Flash，这样就无需再外扩程序存储器了；其次，控制器需要外接带有总线接口的彩色LCD，而LPC2214芯片具有总线控制器，能够高速地操作彩色LCD，避免了效率低下的IO口模拟总线。
此外，LPC2214带有足够多的ＩＯ口，能够满足控制器的各种接口功能，并能预留一定数量的ＩＯ口，为控制器的功能扩展提供可能。
4.4输出部分
4.4.1与电机驱动电路接口
电机驱动电路的输入信号是由控制器提供的，除了电源外，控制器还需为电机驱动电路提供两个正反转控制信号和一个速度设定信号。
速度设定信号是一个模拟的电平信号，电机驱动电路根据这个模拟的电平信号使电机的转速稳定在和这个电平相对应的某个速度上。
ARM的输出是数字信号，要么是高电平要么是低电平，如果想要得到一个模拟的电平信号需要进行D/A转换，LPC2214内部没有集成D/A转换器，如果外接D/A转换器不仅增加复杂度也会提高成本，考虑到纠偏系统是一个闭环系统，对速度电平的精度要求不是特别高，因此一个简单可行的方法是用PWM来实现D/A，如图10所示。
图10PWM实现D/A变换
4.4.2LED指示灯和报警电路
LED指示灯作为输出的一部分，用来反映系统运行的状态。
根据系统的功能设置6个指示灯，分别为电源指示灯、手动IN指示灯、手动OUT指示灯、限位指示灯、自动状态指示灯和手动状态指示灯。
报警电路是在限位发生时工作的，由有源蜂鸣器完成。
第5章结论
本文对纠偏控制系统的原理和组成进行了详细地阐述，并基于此设计了基于CCD传感器的纠偏系统，期望能够应用于数码喷印机中。
主要成果如下：
1、总结了现有纠偏控制系统传感器部分、控制器部分和执行机构部分的常见实现。
2、设计并实现了由微控制器及其外围电路构成的纠偏控制器。
3、设计并实现了由直流伺服电机和滚珠丝杠构成的纠偏执行机构。
参考文献
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[5]潘永雄等．实用电子线路CAD使用教程．西安：
西安电子科技大学出版社，2005
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