基于CAN总线圆网印花机控制系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.41MB 76 页 15积分
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摘 要
纺织印染行业是影响到国计民生的重要行业之一，纺织印染机械在其中又起
着重要的作用。目前，我国的印染机械的发展水平还不高，很多场合都依赖于国
外进口设备。因此，深入研究印染机械、提高印染行业的工艺水平，对国民经济
的发展都有着重要的意义。
本文从实际角度出发，提出了在圆网印花机中采用基于 CAN 总线的伺服控制
系统，有效地提高了印花精度和印花效率，保证了系统稳定性和印花质量。
本文首先从多轴运动控制系统入手，分析了其不同的控制方式，提出采用基
于现场总线的多轴运动系统控制圆网印花机的印花单元，提高系统的实时性和可
靠性。继而制定了圆网印花机控制系统的总体方案，分析了圆网印花机的系统结
构和运动特性，根据印花过程中的运动分析和错花分析，提出基于 CAN 总线的分
布式伺服同步控制系统，用以实现系统快速响应和各伺服之间的同步。系统中还
使用了公共直流母线技术，实现能量互补，提高系统的用电效率。接着，本文对
圆网印花机伺服控制系统的硬件构造和软件设计进行了详细阐述，针对 CAN 总线
信号流程、主从伺服控制器信号流程和控制器模块设计作出进一步说明。运用 PI
控制对伺服系统的动态响应特性做出分析，针对经典 PI 控制系统中的缺陷，提出
了一种基于迭代学习控制的 PI 自整定法，证明了迭代学习法的收敛性，对需要人
工调节的部分进行优化。
该圆网印花机伺服控制系统已经通过调试验收，应用于黄石纺机厂，为国内
自行制造的精度最高的圆网印花设备之一，精度达±10 丝。经过一段时间的试运
行基本满足了用户的各项功能要求和技术指标，具有良好的市场前景。
关键词：圆网印花机 CAN 总线 共用直流母线 PI 控制 迭代学习控制
ABSTRACT
Printing and dyeing textile industry is one of the most important industries that
influences our national economy, and printing and dyeing textile machinery also plays a
vital part in it. So far, the technical level of printing and textile machine in our country
is still limited. Hence, it is meaningful to make some further research of printing and
textile machine so as to enhance our own capability in the industry.
This paper presents a servo control system based on CAN bus used in It increases
printing accuracy and printing efficiency, and ensures system stability and printing
quality also.
Firstly, the paper focuses on different control method of multi axis motion control
system, put forward a control system based on fieldbus to control printing unit of rotary
screen printing machine. Secondly, the general proposal of servo control system is made.
The chapter focuses on the analysis of system structure and motion characteristics.
According to motion analysis and dislocation analysis, a distributed servo synchronous
control system based on CAN bus is put forwarded. It makes system response quickly
and makes all the servo controllers in synchronism. Common DC bus is also used in the
system. It realizes energy supplement and could increase system efficiency. Thirdly, the
hardware and software design for servo control system is devoted. CAN bus signal
process, master and slave servo controller and module design are described in detail.
Finally, the paper makes an analysis for dynamic response characteristics of servo
control system by using PI control, and then presents a novel on-line self-tuning of PI
controller for AC servo system based on iterative learning control to make the controller
improve learning gain according to historical experiences like human being.
The servo control system has been accepted, used by Huangshi textile machine
factory. The rotary screen printing machine becomes one of highest precision textile
machines in our country with accuracy of ±0.1mm. After a period of test running,
users are satisfied with the servo control system. It will take a powerful impetus for
technology improvement and market development.
Key Word：Rotary screen printing machine, CAN bus, Common DC
bus, PI control, Iterative learning control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................................................................................1
§1.1 引言 ...................................................................................................................1
§1.2 圆网印花机的发展与现状研究 .......................................................................1
§1.2.1 圆网印花机的发展历史 ............................................................................ 1
§1.2.2 圆网印花机的现状与发展趋势 ................................................................ 2
§1.3 交流伺服运动系统及其研究现状 ...................................................................2
§1.3.1 交流伺服运动系统的概念 ........................................................................ 3
§1.3.2 交流伺服系统的研究现状 ........................................................................ 4
§1.4 现场总线在交流伺服系统中的应用 ...............................................................6
§1.4.1 现场总线及其特点 .................................................................................... 6
§1.4.2 现场总线在伺服系统中的应用 ................................................................ 7
§1.5 本文主要研究内容 ...........................................................................................9
第二章 多轴运动控制系统 ...........................................................................................10
§2.1 运动控制系统的构成 .....................................................................................10
§2.2 伺服同步控制系统 .........................................................................................12
§2.2.1 伺服同步电机工作原理 .......................................................................... 12
§2.2.2 伺服电机控制系统结构 .......................................................................... 13
§2.3 多轴同步控制系统的实现结构 .....................................................................15
§2.3.1 传统的多轴同步控制结构 ...................................................................... 16
§2.3.2 分布式多轴同步控制结构 ...................................................................... 16
§2.3.3 现场总线多轴控制系统 .......................................................................... 17
§2.4 现场总线网络类型的选择 .............................................................................19
§2.4.1 现场总线的比较 ...................................................................................... 19
§2.4.2 CAN 总线的引入 ......................................................................................19
§2.5 结论 .................................................................................................................25
第三章 圆网印花机控制系统方案设计与分析 ...........................................................26
§3.1 圆网印花机体系结构 .....................................................................................26
§3.2 圆网印花机控制系统的组成 .........................................................................27
1
§3.3 圆网印花机多轴运动分析 .............................................................................28
§3.3.1 圆网印花过程分析 .................................................................................. 28
§3.3.2 圆网印花机错花分析 .............................................................................. 29
§3.4 圆网印花机控制系统方案的确定 .................................................................33
§3.4.1 控制系统方案设计 .................................................................................. 33
§3.4.2 控制系统方案的优点 .............................................................................. 34
§3.5 结论 .................................................................................................................35
第四章 圆网印花伺服控制系统的实现 .......................................................................36
§4.1 基于 CAN 总线的伺服控制系统 .................................................................. 36
§4.1.1 CAN 总线伺服运动控制系统的硬件设计 ..............................................36
§4.1.2 CAN 总线伺服运动控制系统的软件设计 ..............................................37
§4.1.3 伺服控制系统功能模块 .......................................................................... 42
§4.2 伺服控制系统的共用直流母线设计 .............................................................44
§4.2.1 共用直流母线方案的引出 ...................................................................... 44
§4.2.2 圆网印花机中的共用直流母线 .............................................................. 44
§4.3 伺服控制系统能量再生的处理 .....................................................................47
§4.3.1 能量再生问题的引出 .............................................................................. 47
§4.3.2 能耗制动与回馈制动 .............................................................................. 48
§4.4 结论 .................................................................................................................50
第五章 圆网印花系统的智能 PI 控制 ......................................................................... 51
§5.1 同步控制系统性能指标 .................................................................................51
§5.1.1 圆网与导带的同步控制性能指标 .......................................................... 51
§5.1.2 圆网网间同步控制精度指标 .................................................................. 52
§5.2 伺服同步控制系统 PI 参数整定 ................................................................... 53
§5.2.1 速度响应性能 PI 控制 .............................................................................53
§5.2.2 系统速度响应及其性能提高 .................................................................. 54
§5.2.3 交流伺服系统仿真模型的建立与仿真分析 .......................................... 56
§5.3 结论 .................................................................................................................58
第六章 迭代学习控制法的 PI 参数自整定 ................................................................. 59
§6.1 自整定方案的提出 .........................................................................................59
§6.2 基于迭代学习控制的 PI 参数自整定 ........................................................... 59
§6.2.1 迭代学习控制基本原理 .......................................................................... 59
§6.2.2 证明 PI 型迭代学习控制算法的收敛性 .................................................61
§6.2.3 负载转动惯量的辨识证明 ...................................................................... 63
§6.2.4 迭代学习控制算法 .................................................................................. 64
§6.3 仿真结果与结论 .............................................................................................66
§6.4 结论 .................................................................................................................67
第七章 结论与展望 .......................................................................................................68
§7.1 结论 .................................................................................................................68
§7.2 展望 .................................................................................................................69
参考文献 .........................................................................................................................70
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................72
致谢 .................................................................................................................................73
第一章 绪论
1
1第一章 绪 论
§1.1 引言
纺织品印花技术是一门古老的技术。从最初的手工印花到 17 世纪机器印花
的问世，历经上千年的演变。我国由英国人在 20 世纪初引入的辊筒印花机，开创
了我国机器印花的先例。经过近一个世纪的沿革，我国的印花技术和印花设备都
有了很大的提高。作为世界上最大的纺织品服装生产国，多年来我国的纺织纤维
加工总量与纺纱、织造和服装的产量均位居世界第一。但是，受我国印染技术水
平的制约，目前所生产的面料尚不能满足出口服装的要求。因此，提高印染行业
的技术水平，仍有巨大的发展空间。
在常规织物印花设备中，圆网印花机的使用最为广泛，占印花机总量的 60%
以上。近十年来，制造商们以极大的热情投入圆网印花机的开发和制造。因此在
传统印花设备中，圆网印花机的改进最多。经过十多年的引进技术、消化吸收和
自主开发，我国的纺织装备业取得了较大的进步，设备的机电一体化水平、自动
化水平有了较大的提高，但与国际先进水平仍有很大差距。因此，深入研究印花
机械，改进控制系统性能，提高印花质量和提高效率对我国印染行业的发展具有
重要意义。
§1.2 圆网印花机的发展与现状研究
§1.2.1 圆网印花机的发展历史
随着科学技术的飞速发展，印花纺织品日新月异，印花技术不断更新，对印
花机械设备的要求也更高。在实际生产中，常用的印花设备主要有平版筛网印花
机，即通常所说的平网印花机；圆筒筛网印花机，简称圆网印花机；滚筒印花机，
又称铜辊印花机；转移印花机四种类型。其中圆网印花机可连续生产，无接版印
问题。圆网印花既有滚筒印花效率高的优点，又有平网印花能印制大花型、色泽
浓艳的特点。目前，世界上 58%的印花织物都是在圆网印花机上加工的[1]。
在1963 年德国汉诺威国际纺机展会上，荷兰斯托克（STORK）公司展出一
台雏形的圆网印花机，这是一台平卧式的圆形筛网机，彻底改变了放射式铜辊印
花机的传统形式，尤其不同的是印浆透过筛网自内向外刮印到布面上，引起了轰
动。自第一台荷兰（STORKRD 型）圆网印花机到 21 世纪初的毕加索（PEGASUS）
圆网印花机的 40 年来，全球印花技术和装备有了迅速的发展，铜辊印花机数量已
很少。据统计，
2001 年全球各类印花机中圆网印花机占 65%、平网印花机占 22%，
而铜辊印花机小到 4%。
基于 CAN 总线的圆网印花机控制系统的研究
2
我国自上世纪 80 年代开始便与国外知名的公司合作生产圆网印花机，如黄石
纺机与荷兰斯托克公司合作生产的 RDIV-AF 圆网印花机。从引进到合作生产，
以及近年自主开发，我国花费了 20 年左右的时间研制圆网印花机，目前国内各地
许多印染机械厂都具备生产能力。2004 年底上海国际纺机展上可以看到国内许多
纺机厂都推出各自的圆印花机，开发更多的新型印花机，提高市场竞争能力[2]。
§1.2.2 圆网印花机的现状与发展趋势
为了得到优质的纺织品印花质量，相应的印花设备不仅要求对花精确、刮印
均匀、烘燥能力强，而且应该操作方便、少出故障、维修简便，圆网印花机不仅
能完全满足这些要求，而且还具有外型美观、运行平稳、同步性能好、调速范围
广等优点。然而，传统的机械式圆网印花机是由主电机通过机械传动链使圆网与
传输导带同步运转，连续印染无限长的纺织品，机械结构复杂、速度慢、效率低、
对花次布多。长期运行后，机械性能、印花精度变差、维修成本高，不能适应高
档精细花型的生产[3]。
日益发展的电子技术已经改变了传统机械的制造业，先进的多电机圆网独立
传动技术和同步运行的交流伺服系统应用于传统齿轮传动结构的圆网印花机已成
为发展趋势。先进的圆网印花机用网头单电机驱动技术取代传统的机械减速箱长
轴传动的方式，克服原机械传动间隙和磨损对印花的影响。每只圆网和导带分别
采用伺服电机驱动，由高速计算机运动控制系统控制各分部同步高速运行。在机
械产品设计中，由于广泛采用基于 PLC、PCC（Programmable Computer Controller
—可编程计算机控制器）、PCS（Process Control System—过程控制系统）、FCS
（Fieldbus Control System—现场总线控制系统）的解决方案，变频调速、交流伺
服调速的普及化，不仅使设备的自动化水平大大提高，而且使机械结构，特别是
机械传动机构大大简化。随着机电一体化水平的提高，纺织机械的分部传动得以
实现，这也使模块化设计成为可能。不仅机械部分，连电气控制部分也采用模块
化的设计思想，各功能单元都采用插槽式的结构，不同功能模块的组合，就能满
足千变万化的用户需求。模块化的产品设计，是今后技术的发展趋势[4]。
随着技术越来越成熟，国内圆网印花机最终将会像国外一样，发展到以独立
传动式圆网印花机为市场主流的状况。与先进电子技术结合，会缩短我国圆网印
花机与国外的差距，促进国内印花水平的提高。因此，加强对伺服系统的研究是
提高圆网印花机控制性能的关键。
§1.3 交流伺服运动系统及其研究现状
第一章 绪论
3
20 世纪 90 年代以后随着材料科学、电子微电子技术的突破，交流伺服系统
越来越显示出其优越性，显现出数字化、集成化、智能化、模块化和网络化的发
展趋势。
§1.3.1 交流伺服运动系统的概念
随着新材料、机电一体化、电力电子、计算机、控制理论等各种相关新技术
的发展，交流伺服系统已经开拓了广泛的应用领域，可实现高速、高精度、高稳
定度、快速响应、高效节能的运动控制。交流伺服运动系统的组成如图 1-1 所示。
图1-1 中的驱动器和电机构成通常所说的交流伺服系统，而交流伺服运动系统的
涵义更广泛，它还包括控制器、传感器、电磁铁等部件，协调完成特定的运动轨
迹或工艺过程[5]。
图1-1 交流伺服运动系统
具体来说，控制器主要由操作者输入参数的旋钮、按键，显示工作参数的数
码管、液晶显示器，对操作命令、传感器信号、执行机构（电机、电磁铁）进行
运算、判断、控制的工控机、可编程逻辑控制器（PLC）或微控制器组成。硬件
通用性强，软件则随不同的生产工艺过程而异。驱动器是运动系统的核心，它将
控制信号转变成伺服电机的驱动信号，控制电机的转速和位置，起着桥梁的作用，
同样也由硬件和软件构成。硬件除了微控制器及其它集成电路外，还有功率器件
构成，软件则取决于不同种类的电机。与控制器类似，驱动器的硬件具有可移植
性，相同功率的不同种类的电机可兼用。目前的交流伺服电机主要有步进电机、
开关磁阻电机、直流无刷电机和永磁同步伺服电机。功率范围从几十瓦到十多千
瓦，最高转速从每分钟不到一转到数千转。传感器包括两部分，一是电机控制用
的传感器，如电压、电流、位置、温度等，二是控制系统中所需的传感器，如压
力、流量、光、力等。传感器将非电量信号转换成电信号，是控制器或微处理器
摄取系统状态参数的通道。
从图 1-1 可以看出，运动系统的控制功能可以借助控制器和驱动器中的两个
微处理器来实现，在它们之间灵活分配系统的控制任务，降低对驱动器通用性的
要求。驱动器的附加功能可以根据不同应用领域进行开发，形成边开发、边应用、
传感器
功率开关
控制器
电磁铁
驱动器
传感器
电机
主运动机构
传感器
辅助运动机构
摘要：

摘要纺织印染行业是影响到国计民生的重要行业之一，纺织印染机械在其中又起着重要的作用。目前，我国的印染机械的发展水平还不高，很多场合都依赖于国外进口设备。因此，深入研究印染机械、提高印染行业的工艺水平，对国民经济的发展都有着重要的意义。本文从实际角度出发，提出了在圆网印花机中采用基于CAN总线的伺服控制系统，有效地提高了印花精度和印花效率，保证了系统稳定性和印花质量。本文首先从多轴运动控制系统入手，分析了其不同的控制方式，提出采用基于现场总线的多轴运动系统控制圆网印花机的印花单元，提高系统的实时性和可靠性。继而制定了圆网印花机控制系统的总体方案，分析了圆网印花机的系统结构和运动特性，根据印花过程...

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