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

摘要：針對圓網(wǎng)印花系統(tǒng)中導帶驅動輥與圓網(wǎng)驅動對速度同步的要求，提出了基于IRMCK201和ZigBee技術的圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)，給出了同步控制系統(tǒng)結構。選用IRMCK201專用電機伺服控制芯片作為各驅動電機的伺服控制器，選用基于ZigBee技術的無線芯片CC2430作為系統(tǒng)主控制器和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。設計了伺服控制電路、主控制器和無線通信節(jié)點電路以及相應的程序流程，實現(xiàn)了圓網(wǎng)印花系統(tǒng)各單元的速度同步控制。運行結果表明，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)印花各驅動單元的同步控制提供了一種新技術。
關鍵詞：圓網(wǎng)印花；同步控制；系統(tǒng)設計；IRMCK201；CC2430

    傳統(tǒng)的圓網(wǎng)印花均采用集中傳動方式，由電機通過減速裝置帶動長軸，長軸上根據(jù)印花機的套色數(shù)，分別傳動各套色的過橋蝸桿經(jīng)蝸輪驅動圓網(wǎng)，同時通過齒輪減速器和聯(lián)軸節(jié)和蝸桿蝸輪副驅動導帶主傳動輥。這種集中傳動的印花系統(tǒng)存在結構復雜，印花精度低，易“跑花”，對花速度慢，效率低，成品率低和設備維修成本高，印花導帶與圓網(wǎng)之間的速差不可調(diào)節(jié)等缺點，不能應用于高檔的精細印花生產(chǎn)中。隨著計算機數(shù)字伺服系統(tǒng)和無線傳感器技術的日趨成熟，將其應用到絲網(wǎng)印花的圓網(wǎng)獨立電機速度控制，實現(xiàn)精細絲網(wǎng)印花速度同步控制，對提高印花精度和產(chǎn)品質(zhì)量，具有重要的意義。
    本研究針對印花系統(tǒng)對圓網(wǎng)速度控制的要求，應用數(shù)字伺服控制專用芯片IRMCK201作為伺服控制和基于ZigBee技術的CC2430芯片作系統(tǒng)控制和網(wǎng)絡通信，采用交流變頻調(diào)速實現(xiàn)主動輥與圓網(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帶速度，將檢測到的導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，通過相應的處理實現(xiàn)系統(tǒng)的速度同步，ZigBee無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)各速度控制單元之間數(shù)據(jù)可靠的傳輸。系統(tǒng)組成結構如圖1所示。

    系統(tǒng)工作原理是：系統(tǒng)運行由ZigBee主控制器控制，各電機運行速度由ZigBee主控制器設定，通過ZigBee的無線通信模塊將各電機的轉速指令傳輸?shù)礁魉欧刂茊卧?br />     ZigBee接收模塊上，通過IRMCK201的SPI接口，通過IRMCK201控制電機的轉速。由光電檢測器檢測印花導帶的運行速度，經(jīng)光電編碼器節(jié)點的ZigBee芯片進行處理，然后通過ZigBee無線通信模塊傳輸至主控制節(jié)點，主控制節(jié)點的ZigBee處理器將接收到的速度信號與設定值比較，經(jīng)相應處理后，傳輸至主輥電機及圓網(wǎng)電機的驅動智能模塊，控制各單元電機的同步運行，滿足印花精度的要求。主輥電機轉速與印花圓網(wǎng)電機轉速計算公式如式(1)所示。
   
    式中，v為導帶設定的工藝速度；ω1為主輥電機設定轉速；ω2為圓網(wǎng)電機轉速；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)各種運行狀態(tài)和故障診斷，設定系統(tǒng)運行參數(shù)。
    系統(tǒng)通信采用基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡，主控制器為網(wǎng)絡主節(jié)點，設置為全功能節(jié)點(FFD)，與各電機控制單元相連的節(jié)點為網(wǎng)絡從節(jié)點，設置為半功能節(jié)點(RFD)。

2 系統(tǒng)設計
    為了實現(xiàn)主輥電機與圓網(wǎng)驅動電機之間的速度同步控制，主輥電機和圓網(wǎng)驅動電機均采用變頻器進行調(diào)速。而主輥電機及圓網(wǎng)驅動電機均采用交流永磁同步電動機(PMSM)，由于本系統(tǒng)中無需要考慮織物張力對同步速度的影響，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)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
2．1 系統(tǒng)主控制器設計
    本系統(tǒng)主控制器采用CC2430是TI(Chipcon)公司一款基于ZigBee技術的具有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模式的轉換時間。CC2430在應用時可根據(jù)用戶需要將其靈活設置為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計
    圖3是基于IRMCK201的主輥電機交流伺服控制系統(tǒng)結構圖。IRMCK201是美國國際整流公司(IR)開發(fā)的數(shù)字運動控制芯片，是專門針對伺服驅動系統(tǒng)而設計的。該器件可實現(xiàn)完整的速度環(huán)和電流環(huán)控制，其中電流環(huán)帶寬達5．5 kHz，采樣控制周期約為6 μs，PWM的載波頻率可達70 kHz，具有快速的高性能伺服驅動能力。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)即可實現(xiàn)復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檢測伺服電機的兩路相電流，使用光電編碼器獲取電動機的轉速與角位信息，經(jīng)IRMCK201計算后得到電機的速度ω1，與ZigBee接收的參考速度進行比較，經(jīng)片內(nèi)2個獨立的PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，然后經(jīng)IRMCK201內(nèi)容的SVPWM模塊產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)光電耦合電路加至智能功率模塊(IPM)實現(xiàn)對電機的控制。電機運行狀態(tài)通過IRMCK201的工作狀態(tài)接口驅動相應指示燈工作，同時，通過ZigBee節(jié)點傳輸至系統(tǒng)主控制器。
2．3 電流檢測電路設計
    電機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的V、U相電流，將伺服電機的驅動電流轉換成低電信號，輸入到IRMCK201的電流傳感器接口，由IRMCK201進行處理。基于IR2175伺服電機的U相電流檢測基本電路如圖4所示。其基本工作原理：高壓側供電電壓VB和補償電壓均來自于Ufb，Ufb是U相驅動電源，低壓側供電與IRMCK201相同，PB接到電機定子U相繞組上，經(jīng)采樣電阻得到1個260 mV以內(nèi)的采樣電壓信號至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個占空比隨電流幅值大小變化的PWM數(shù)字信號，然后經(jīng)過光電耦合電路輸入到IRMCK201的電流傳感器接口，實現(xiàn)U相的電流反饋，經(jīng)IRMCK201比較和處理，由SVPWM輸出相應的PWM信號，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。

2．4 電機轉子和速度位置檢測
    光電編碼器輸出增量式脈沖信號A+(A-)、B+(B-)、Z+(Z-)及帶絕對信息功能的信號U+(U-)、V+(V-)、W+(W-)兩組信號。經(jīng)過濾波、整形后輸入至IRMCK201的編碼器接口，圖5為A+(A-)信號處理的基本電路。A+(A-)信號經(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 通信模塊設計
    本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信采用基于ZigBee的無線網(wǎng)絡通信，網(wǎng)絡中主節(jié)點為系統(tǒng)主控制器，從節(jié)點與各電機速度控制單元集成，圖6為與電機伺服控制單元集成的ZigBee節(jié)點基本電路。

3 系統(tǒng)程序設計
3．1 系統(tǒng)工作流程
    主控制器上電或復位，首先進行初始化，并建立一個新的網(wǎng)絡，給出網(wǎng)絡的ID號、頻道號等網(wǎng)絡信息；然后接受用戶的參數(shù)設置，再進入無線監(jiān)聽狀態(tài)，若空中有無線信號，如果是FRD加入網(wǎng)絡。則給該加入網(wǎng)絡的節(jié)點分配網(wǎng)絡號和ID，直到系統(tǒng)從節(jié)點均加入網(wǎng)絡；當接通開始按鍵，主控制器將開始信號及用戶已設置好的速度值傳輸至各從伺服控制節(jié)點，控制各伺服控制模塊啟動并按設定的轉速運行，同時接收并顯示各伺服控制模塊的工作狀態(tài)信號，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)點控制流程和IRMCK201速度控制流程。ZigBee從節(jié)點控制流程如圖8(a)所示；IRMCK201速度控制流程如圖8(b)所示。

4 結束語
    本文設計的基于IRMCK201和ZigBee的圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)，用其對某型四色機械式圓網(wǎng)印花機進行改造，控制伺服電機的功率為1．5 kW，伺服電機與驅動輥采用直聯(lián)方式，最高運行車速可達100 m／min，縱向對花精度達±0．1 mm，圓網(wǎng)與導帶速差可在±8％內(nèi)調(diào)整，印花精度高，對花穩(wěn)定，不跑花，達到了較高的印花精度。
    圓網(wǎng)印花同步控制系統(tǒng)利用IRMCK201的硬件電路實現(xiàn)速度環(huán)和電流環(huán)控制，使用ZigBee芯片的實時數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，實現(xiàn)了圓網(wǎng)印花主導輥和圓網(wǎng)之間的速度同步和協(xié)調(diào)，由于ZigBee網(wǎng)絡的可擴展性，該系統(tǒng)還可應用到較為復雜的同步控制系統(tǒng)中。