FPGA脉冲跟踪伺服系统破解圆网印花机控制难题

在生产过程中，圆网印花机的整机运行速度范围为4～120m/min，调速范围很宽：工艺准备阶段（非印花时间）的对花操作是在基速（约4m/min）下完成的，而印花作业却要在高速(60～120m/min)下进行。在基速下的工艺准备一旦结束后，就应及时升到高速后稳定印花。圆网印花机在运行时，无论是在工艺准备阶段还是正常高速连续印花阶段，只要导带或网头电动机的速度发生波动，就经常会出现对花不准问题，即动态同步控制精度比较差。以前普遍采用的方案是尽量减少动态幅度(加减速率)变化，设法降低整机系统的非线性。这样不仅延长了非印花时间，也降低了对花的控制精度，直接影响到印花质量。

　　西安工程科技学院电子信息学院和浙江绍兴亚太高科特宽幅印花厂有关科研人员在圆网印花机独立传动基础上提出了解决动态同步问题的控制策略，基于FPGA来解决圆网印花机动态控制问题。

　　独立传动圆网印花机的每个圆网在网头上都有一个独立传动的控制电动机(称为网头电动机或圆网电动机)用来控制圆网转速。如果在印花过程中，其中有1个圆网的印花与所设计的花型位置不相符，就会造成所印的花布为次品。因此，在独立传动的圆网印花控制系统中，多个网头电动机的速度控制是保证印花质量的关键技术之一。该系统首先应该保证各个网头电动机与印花导带的线速度必须是同步的，同时每个圆网还要根据各自的对花信号来保证彼此之间相对位置同步，这样才能避免错花现象的发生。因此，圆网电动机的动态同步控制系统是双同步控制系统——既要对导带的线速度进行同步跟踪，还要保证运行中各圆网之间的相对位置不变。

　　网头电动机的驱动采用交流伺服速度控制系统。在系统设计中，选用安川公司全数字式交流伺服驱动器ΣⅡ系列和配套交流伺服电动机构成系统的速度伺服单元。把交流伺服系统作为整个系统的一个环节，可把它看作速度伺服单元，其本身具备“三环”，即电流环、速度环及位置环。通过调节生产厂商所提供的各种参数，如位置环增益、速度环增益和积分时间常数、速度前馈等，使速度伺服单元以最佳状态工作。根据控制系统理论，单靠速度伺服单元自身的调节作用，在加减速动态过程中是不可能达到系统控制要求的，此时必须设计外部位置调节器，使系统的控制性能趋于最佳状态。因此，本系统的主要任务是如何在固有的“三环”上外加第四环“位置调节器”从而构成所谓的“四环”控制系统。

　　以FPGA为核心的脉冲跟踪伺服系统是针对单个脉冲来控制，用网络控制理论来讲是小时延系统，控制精度易提高。FPGA的出现使得对脉冲的处理变得比较容易。FPGA用于运动控制也是一种新技术，它使得建筑在现代控制理论或其他一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行优化处理，从而把许多过去认为只能在理论上成立而在实际上无法应用的控制原理实用化。

　　圆网印花机独立传动控制采用脉冲跟踪原理进行设计时，其一是采用专用电子齿轮，如采用常规的电子齿轮设计方法，其原理跟采样控制没有区别，达不到脉冲跟踪效果。其二是结合采样控制，实现加减速动态模糊控制。

　　电子齿轮采用脉冲跟踪实现原理是， 用高频150M时钟测量编码器脉冲宽度，测量计数器采用16位到32位可变模计数器，结合M/T测速法来改变模数。实践证明，150M的基频测量精度满足系统要求。当测出脉冲宽度后，就很容易实现倍频，然后再分频，实现电子齿轮。

　　当圆网印花机加减速时，位置跟踪误差与位置环的增益成反比，增益越大，误差越小，然而，交流伺服系统的位置增益一般在5～100之间。加减速跟踪误差从理论上就存在，前馈能减少加减速跟踪误差，但易引起系统不稳定。模糊控制对处理器的要求过高，而且也是一个滞后过程。为了充分发挥FPGA的高速度，针对实际情况，采用加减速硬补偿办法，实际效果很好。其基本原理是，当FPGA检测到导带加减速时，把加减速系数传给电子齿轮。同时，FPGA监控多加的脉冲或减少的脉冲。当加减速完成后，停止加减速控制，电子齿轮恢复正常。整个过程由FPGA完成，CPU不参与，其只根据具体的机型设置加减速参数。

　　在这一过程中，有两个关键技术问题，一是应该及时知道是否需要加减速；二是加减的脉冲个数是多少。由于加减速时误差是可检测的，所以由CPU负责检测位置误差，并且根据具体系统的机械特性给FPGA设置加减速比率参数。当跟踪误差消除后就恢复正常的速率控制。但是，整个加减速随动控制过程，则完全是由FPGA内部的电子齿轮独立完成的。