基于FPGA的柔版印刷调压系统控制器研究与开发

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柔版印刷是机械制造业的重要门类,它集成了机械、电气以及运动控制技术等内容,具有很强的综合性和复杂性。对印刷质量影响的关键因素之一是印刷压力的控制,也即调压系统的设计。而调压系统的核心是多轴运动控制器的设计。目前国内生产的印刷机中所使用的运动控制器绝大多数都为欧美国家垄断,其封闭性较强。用户只能根据具体的功能需求进行定制,以程序扩展包的形式完成系统的整体功能设计,难以进行二次开发。因此设计出一款具有自主知识产权的多轴运动控制器具有重要意义和价值,其不仅可以用于印刷机调压系统,通过软、硬件的再开发可以运用到其他系统的设计与控制之中。  随着EDA技术的发展,片上可编程系统成为运动控制器发展的主流,其可以将处理器和各种接口芯片集成到一块电路上,系统的集成性更高。因此本文选择以FPGA为控制系统的核心完成运动控制器的设计。在需求和技术指标要求的基础之上,完成硬件电路的设计和 PCB电路板绘制。系统设计的创新点之一在于将光电传感器引入到调压系统中,改善了传统调压系统中采用编码器间接测量位置的缺陷,实现了真正意义上的位置闭环控制。另外在硬件电路设计中增加一个外围存储芯片对增量式光电传感器运行时的相对位置进行存储,使系统具有掉电位置记忆的功能,达到近似于绝对值光电传感器的功能效果。  在软件算法设计层面,因为系统选用两相混合式步进电机作为驱动装置,所以本文首先对于两相混合式步进电机进行了数学建模,并借助Matlab软件的Simulink工具完成电机及其驱动器模型的构建。在此基础之上结合系统的功能要求完成了速度规划算法、PID算法和位置同步算法的设计。软件算法设计中对传统梯形速度规划算法进行改进,在硬件中实现一种加入滑动平滑滤波器的速度规划算法。同时,在调压系统中引入位置同步算法的设计,增强系统运行过程中的稳定性和可靠性。借助Matlab软件建立控制系统的整体模型,并完成算法的仿真,验证算法设计的可行性。之后,借助于Quartus软件完成软件代码的编写,并利用 Modelsim工具对设计的代码进行仿真验证,完成算法功能在FPGA上的实现。  工业现场环境下的实验验证是检验运动控制器设计性能的根本方式。在现场环境下对运动控制器的功能进行测试,对系统的硬件抗干扰措施进行分析,同时采集相关数据利用Matlab软件对数据进行处理分析,并最终证明本文设计的运动控制器的软、硬件功能达到系统的设计指标要求。最后对运动控制器设计进行总结并对后续开发提出展望。
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