基于IRMCK201和ZigBee的圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)

摘要：針對(duì)圓網(wǎng)印花系統(tǒng)中導(dǎo)帶驅(qū)動(dòng)輥與圓網(wǎng)驅(qū)動(dòng)對(duì)速度同步的要求，提出了基于IRMCK201和ZigBee技術(shù)的圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)，給出了同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。選用IRMCK201專用電機(jī)伺服控制芯片作為各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服控制器，選用基于ZigBee技術(shù)的無線芯片CC2430作為系統(tǒng)主控制器和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)了伺服控制電路、主控制器和無線通信節(jié)點(diǎn)電路以及相應(yīng)的程序流程，實(shí)現(xiàn)了圓網(wǎng)印花系統(tǒng)各單元的速度同步控制。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、抗干擾、能耗低、體積小、成本低，為紡織生產(chǎn)中圓網(wǎng)印花各驅(qū)動(dòng)單元的同步控制提供了一種新技術(shù)。
關(guān)鍵詞：圓網(wǎng)印花；同步控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；IRMCK201；CC2430

    傳統(tǒng)的圓網(wǎng)印花均采用集中傳動(dòng)方式，由電機(jī)通過減速裝置帶動(dòng)長軸，長軸上根據(jù)印花機(jī)的套色數(shù)，分別傳動(dòng)各套色的過橋蝸桿經(jīng)蝸輪驅(qū)動(dòng)圓網(wǎng)，同時(shí)通過齒輪減速器和聯(lián)軸節(jié)和蝸桿蝸輪副驅(qū)動(dòng)導(dǎo)帶主傳動(dòng)輥。這種集中傳動(dòng)的印花系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，印花精度低，易“跑花”，對(duì)花速度慢，效率低，成品率低和設(shè)備維修成本高，印花導(dǎo)帶與圓網(wǎng)之間的速差不可調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)，不能應(yīng)用于高檔的精細(xì)印花生產(chǎn)中。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字伺服系統(tǒng)和無線傳感器技術(shù)的日趨成熟，將其應(yīng)用到絲網(wǎng)印花的圓網(wǎng)獨(dú)立電機(jī)速度控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)絲網(wǎng)印花速度同步控制，對(duì)提高印花精度和產(chǎn)品質(zhì)量，具有重要的意義。
    本研究針對(duì)印花系統(tǒng)對(duì)圓網(wǎng)速度控制的要求，應(yīng)用數(shù)字伺服控制專用芯片IRMCK201作為伺服控制和基于ZigBee技術(shù)的CC2430芯片作系統(tǒng)控制和網(wǎng)絡(luò)通信，采用交流變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輥與圓網(wǎng)速度的同步控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
    圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)由同步控制模塊、速度檢測模塊、ZigBee無線通信系統(tǒng)等組成。速度檢測模塊采用光電編碼器檢測印花導(dǎo)帶速度，將檢測到的導(dǎo)帶速度傳輸給同步速度控制模塊：同步控制系統(tǒng)通過速度檢測系統(tǒng)檢測到各單元的速差，通過相應(yīng)的處理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的速度同步，ZigBee無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各速度控制單元之間數(shù)據(jù)可靠的傳輸。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)工作原理是：系統(tǒng)運(yùn)行由ZigBee主控制器控制，各電機(jī)運(yùn)行速度由ZigBee主控制器設(shè)定，通過ZigBee的無線通信模塊將各電機(jī)的轉(zhuǎn)速指令傳輸?shù)礁魉欧刂茊卧?br />     ZigBee接收模塊上，通過IRMCK201的SPI接口，通過IRMCK201控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由光電檢測器檢測印花導(dǎo)帶的運(yùn)行速度，經(jīng)光電編碼器節(jié)點(diǎn)的ZigBee芯片進(jìn)行處理，然后通過ZigBee無線通信模塊傳輸至主控制節(jié)點(diǎn)，主控制節(jié)點(diǎn)的ZigBee處理器將接收到的速度信號(hào)與設(shè)定值比較，經(jīng)相應(yīng)處理后，傳輸至主輥電機(jī)及圓網(wǎng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)智能模塊，控制各單元電機(jī)的同步運(yùn)行，滿足印花精度的要求。主輥電機(jī)轉(zhuǎn)速與印花圓網(wǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如式(1)所示。
   
    式中，v為導(dǎo)帶設(shè)定的工藝速度；ω1為主輥電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速；ω2為圓網(wǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)速；r1為主輥半徑；r2為圓網(wǎng)半徑。
    系統(tǒng)主控制器具有液晶顯示以及操作控制按鍵，可顯示系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷，設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。
    系統(tǒng)通信采用基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)，主控制器為網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為全功能節(jié)點(diǎn)(FFD)，與各電機(jī)控制單元相連的節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為半功能節(jié)點(diǎn)(RFD)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)主輥電機(jī)與圓網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的速度同步控制，主輥電機(jī)和圓網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用變頻器進(jìn)行調(diào)速。而主輥電機(jī)及圓網(wǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用交流永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)，由于本系統(tǒng)中無需要考慮織物張力對(duì)同步速度的影響，主輥與圓網(wǎng)的速度同步控制采用IRMCK201控制器，各控制器之間通過基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
2．1 系統(tǒng)主控制器設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主控制器采用CC2430是TI(Chipcon)公司一款基于ZigBee技術(shù)的具有SOC(片上系統(tǒng))功能的小體積無線系統(tǒng)芯片。
    該芯片上集成了基于ZigBee協(xié)議的RF前端、與8051兼容的微處理器、128 KB可編程閃存和8 KB RAM、14位ADC電路等。傳輸距離可大于75 m，傳輸速率最高250 Kb／s，工作溫度為-40～+105℃，工作電壓2．0～3．6 V，具有極短的休眠模式到主動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間。CC2430在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)用戶需要將其靈活設(shè)置為NC、FFD或RFD。主控制器基本電路如圖2所示。

2．2 交流伺服控制模塊設(shè)計(jì)
    圖3是基于IRMCK201的主輥電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。IRMCK201是美國國際整流公司(IR)開發(fā)的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制芯片，是專門針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。該器件可實(shí)現(xiàn)完整的速度環(huán)和電流環(huán)控制，其中電流環(huán)帶寬達(dá)5．5 kHz，采樣控制周期約為6 μs，PWM的載波頻率可達(dá)70 kHz，具有快速的高性能伺服驅(qū)動(dòng)能力。不同于DSP式伺服控制，IRMCK201無需編程，只要選擇其內(nèi)部的功能與參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的伺服控制功能及算法。

    該模塊的基本工作原理：采用IR的專用電流傳感器IR2175檢測伺服電機(jī)的兩路相電流，使用光電編碼器獲取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與角位信息，經(jīng)IRMCK201計(jì)算后得到電機(jī)的速度ω1，與ZigBee接收的參考速度進(jìn)行比較，經(jīng)片內(nèi)2個(gè)獨(dú)立的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)IRMCK201內(nèi)容的SVPWM模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)光電耦合電路加至智能功率模塊(IPM)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)通過IRMCK201的工作狀態(tài)接口驅(qū)動(dòng)相應(yīng)指示燈工作，同時(shí)，通過ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸至系統(tǒng)主控制器。
2．3 電流檢測電路設(shè)計(jì)
    電機(jī)電流檢測采用單片高壓電流傳感芯片IR2175，通過外部的分流電阻檢測電機(jī)的V、U相電流，將伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)換成低電信號(hào)，輸入到IRMCK201的電流傳感器接口，由IRMCK201進(jìn)行處理。基于IR2175伺服電機(jī)的U相電流檢測基本電路如圖4所示。其基本工作原理：高壓側(cè)供電電壓VB和補(bǔ)償電壓均來自于Ufb，Ufb是U相驅(qū)動(dòng)電源，低壓側(cè)供電與IRMCK201相同，PB接到電機(jī)定子U相繞組上，經(jīng)采樣電阻得到1個(gè)260 mV以內(nèi)的采樣電壓信號(hào)至IR2175輸入引腳VIN+，PBD是IPM的U相輸出，輸入至IR2175的VIN-與PB比較，從IR2175的P0口輸出1個(gè)占空比隨電流幅值大小變化的PWM數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過光電耦合電路輸入到IRMCK201的電流傳感器接口，實(shí)現(xiàn)U相的電流反饋，經(jīng)IRMCK201比較和處理，由SVPWM輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。

2．4 電機(jī)轉(zhuǎn)子和速度位置檢測
    光電編碼器輸出增量式脈沖信號(hào)A+(A-)、B+(B-)、Z+(Z-)及帶絕對(duì)信息功能的信號(hào)U+(U-)、V+(V-)、W+(W-)兩組信號(hào)。經(jīng)過濾波、整形后輸入至IRMCK201的編碼器接口，圖5為A+(A-)信號(hào)處理的基本電路。A+(A-)信號(hào)經(jīng)正交線性處理器得到AO，經(jīng)整形后輸入至IRMCK201的編碼器接口。

2．5 通信模塊設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信采用基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)主控制器，從節(jié)點(diǎn)與各電機(jī)速度控制單元集成，圖6為與電機(jī)伺服控制單元集成的ZigBee節(jié)點(diǎn)基本電路。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)工作流程
    主控制器上電或復(fù)位，首先進(jìn)行初始化，并建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給出網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)、頻道號(hào)等網(wǎng)絡(luò)信息；然后接受用戶的參數(shù)設(shè)置，再進(jìn)入無線監(jiān)聽狀態(tài)，若空中有無線信號(hào)，如果是FRD加入網(wǎng)絡(luò)。則給該加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)號(hào)和ID，直到系統(tǒng)從節(jié)點(diǎn)均加入網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)接通開始按鍵，主控制器將開始信號(hào)及用戶已設(shè)置好的速度值傳輸至各從伺服控制節(jié)點(diǎn)，控制各伺服控制模塊啟動(dòng)并按設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，同時(shí)接收并顯示各伺服控制模塊的工作狀態(tài)信號(hào)，圖7為主控制器程序流程圖。

3．2 伺服控制模塊的程序流程
    伺服控制模塊的程序流程分為ZigBee從節(jié)點(diǎn)控制流程和IRMCK201速度控制流程。ZigBee從節(jié)點(diǎn)控制流程如圖8(a)所示；IRMCK201速度控制流程如圖8(b)所示。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的基于IRMCK201和ZigBee的圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)，用其對(duì)某型四色機(jī)械式圓網(wǎng)印花機(jī)進(jìn)行改造，控制伺服電機(jī)的功率為1．5 kW，伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輥采用直聯(lián)方式，最高運(yùn)行車速可達(dá)100 m／min，縱向?qū)ň冗_(dá)±0．1 mm，圓網(wǎng)與導(dǎo)帶速差可在±8％內(nèi)調(diào)整，印花精度高，對(duì)花穩(wěn)定，不跑花，達(dá)到了較高的印花精度。
    圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)利用IRMCK201的硬件電路實(shí)現(xiàn)速度環(huán)和電流環(huán)控制，使用ZigBee芯片的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，實(shí)現(xiàn)了圓網(wǎng)印花主導(dǎo)輥和圓網(wǎng)之間的速度同步和協(xié)調(diào)，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，該系統(tǒng)還可應(yīng)用到較為復(fù)雜的同步控制系統(tǒng)中。