喷绘机伺服驱动系统设计

第四章 喷绘机伺服驱动系统设计4.1 喷绘机伺服驱动系统原理4.1.1 喷绘机原理概述电脑雕刻机和喷绘机都是大型喷墨打印机。

喷绘机按工作原理可分为固体喷墨和液体喷墨两种，当今主流的喷墨打印机为液体喷绘机打印机。

电脑雕刻 喷墨方式可分为雕刻机气泡式与液体压电式。

气泡技术是通过加热喷嘴，使墨水产生气泡，喷到打印介质上的。

墨水在高温下易发生化学变化，性质不稳定，所以打出的色彩真实性就会受到一定程度的影响；另一方面由于印花机墨水是通过气泡喷出的，刻字机墨水微粒的方向性与体积大小不好掌握，写真机打印线条边缘容易参差不齐，一定程度的影响了打印质量。

压电式喷墨技术，墨水是由一个和热感应式喷墨技术类似的喷嘴所喷出，但是墨滴的形成方式是藉由缩小墨水喷出的电脑雕刻机区域来形成。

而喷出区域的缩小，是藉由施加电压到喷出区内一个或多个压电板来控制的。

由于微压电打印头技术是利用晶体加压时放电的特性，在常温状态下稳定的将墨水喷出。

它有着对墨滴控制能力强的特点，容易实现1440dpi 的高精度打印质量，且微压电喷墨时无需加热，喷绘机墨水就不会因受热而发生化学变化，故大大降低了对墨水的要求。

4.1.2 喷绘机原理框图原理框图如下：三相交流电源 可熔断熔断器 松下驱动器 PCI 运动控制卡 伺服 电机 PC 总线 编 码器 工作台生产机械 反馈信号4.1.3 喷绘机原理单元介绍（1）熔断器熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。

熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过流保护是应用最普遍的保护器件之一。

熔断器是一种过电流保护电器。

熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。

使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。

（2）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。

（3）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。

（4）驱动器1）驱动器概念伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达。

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,I PM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。

功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。

经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。

功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。

整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。

编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。

驱动器是一个驱动放大元件，只是把上位机（如运动控制卡）发来的一些信号进行放大，以致使电机可以运转起来。

MAC系列运动控制卡是基于总线的电机运动控制卡。

采用专用控制芯片为核心器件，输入输出信号均为光电隔离，可与各种类型的步进电机驱动器连接，驱动步进电机，构成高精度位置控制系统或调速系统。

可与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机界面的管理和其它管理工作；而控制卡负责运动控制方面的所有细节。

用户通过我们提供的动态链接库可方便快速的开发出自己需要的运动控制功能。

2) 驱动器结构（5）编码器1）编码器介绍编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”，通过“１”和“０”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

（REP）2）编码器优点工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。

可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；柔性化：定位可以在控制室柔性调整；现场安装的方便和安全、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个μ到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。

经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。

4）编码器工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（P NP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-; Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。

如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。

A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。

A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。

A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。

对于TTL 的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。

对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。