基于IRMCK201和ZigBee的圆网印花同步控制系统

摘要：针对圆网印花系统中导带驱动辊与圆网驱动对速度同步的要求，提出了基于IRMCK201和ZigBee技术的圆网印花同步控制系统，给出了同步控制系统结构。选用IRMCK201专用电机伺服控制芯片作为各驱动电机的伺服控制器，选用基于ZigBee技术的无线芯片CC2430作为系统主控制器和数据通信网络。设计了伺服控制电路、主控制器和无线通信节点电路以及相应的程序流程，实现了圆网印花系统各单元的速度同步控制。运行结果表明，该系统稳定可靠、抗干扰、能耗低、体积小、成本低，为纺织生产中圆网印花各驱动单元的同步控制提供了一种新技术。
关键词：圆网印花；同步控制；系统设计；IRMCK201；CC2430

传统的圆网印花均采用集中传动方式，由电机通过减速装置带动长轴，长轴上根据印花机的套色数，分别传动各套色的过桥蜗杆经蜗轮驱动圆网，同时通过齿轮减速器和联轴节和蜗杆蜗轮副驱动导带主传动辊。这种集中传动的印花系统存在结构复杂，印花精度低，易“跑花”，对花速度慢，效率低，成品率低和设备维修成本高，印花导带与圆网之间的速差不可调节等缺点，不能应用于高档的精细印花生产中。随着计算机数字伺服系统和无线传感器技术的日趋成熟，将其应用到丝网印花的圆网独立电机速度控制，实现精细丝网印花速度同步控制，对提高印花精度和产品质量，具有重要的意义。
本研究针对印花系统对圆网速度控制的要求，应用数字伺服控制专用芯片IRMCK201作为伺服控制和基于ZigBee技术的CC2430芯片作系统控制和网络通信，采用交流变频调速实现主动辊与圆网速度的同步控制系统。

1 系统组成及工作原理
圆网印花同步控制系统由同步控制模块、速度检测模块、ZigBee无线通信系统等组成。速度检测模块采用光电编码器检测印花导带速度，将检测到的导带速度传输给同步速度控制模块：同步控制系统通过速度检测系统检测到各单元的速差，通过相应的处理实现系统的速度同步，ZigBee无线通信系统实现各速度控制单元之间数据可靠的传输。系统组成结构如图1所示。

系统工作原理是：系统运行由ZigBee主控制器控制，各电机运行速度由ZigBee主控制器设定，通过ZigBee的无线通信模块将各电机的转速指令传输到各伺服控制单元的
ZigBee接收模块上，通过IRMCK201的SPI接口，通过IRMCK201控制电机的转速。由光电检测器检测印花导带的运行速度，经光电编码器节点的ZigBee芯片进行处理，然后通过ZigBee无线通信模块传输至主控制节点，主控制节点的ZigBee处理器将接收到的速度信号与设定值比较，经相应处理后，传输至主辊电机及圆网电机的驱动智能模块，控制各单元电机的同步运行，满足印花精度的要求。主辊电机转速与印花圆网电机转速计算公式如式(1)所示。

式中，v为导带设定的工艺速度；ω1为主辊电机设定转速；ω2为圆网电机转速；r1为主辊半径；r2为圆网半径。
系统主控制器具有液晶显示以及操作控制按键，可显示系统各种运行状态和故障诊断，设定系统运行参数。
系统通信采用基于ZigBee技术的无线网络，主控制器为网络主节点，设置为全功能节点(FFD)，与各电机控制单元相连的节点为网络从节点，设置为半功能节点(RFD)。

2 系统设计
为了实现主辊电机与圆网驱动电机之间的速度同步控制，主辊电机和圆网驱动电机均采用变频器进行调速。而主辊电机及圆网驱动电机均采用交流永磁同步电动机(PMSM)，由于本系统中无需要考虑织物张力对同步速度的影响，主辊与圆网的速度同步控制采用IRMCK201控制器，各控制器之间通过基于ZigBee的无线网络实现数据通信。
2．1 系统主控制器设计
本系统主控制器采用CC2430是TI(Chipcon)公司一款基于ZigBee技术的具有SOC(片上系统)功能的小体积无线系统芯片。
该芯片上集成了基于ZigBee协议的RF前端、与8051兼容的微处理器、128 KB可编程闪存和8 KB RAM、14位ADC电路等。传输距离可大于75 m，传输速率最高250 Kb／s，工作温度为-40～+105℃，工作电压2．0～3．6 V，具有极短的休眠模式到主动模式的转换时间。CC2430在应用时可根据用户需要将其灵活设置为NC、FFD或RFD。主控制器基本电路如图2所示。

2．2 交流伺服控制模块设计
图3是基于IRMCK201的主辊电机交流伺服控制系统结构图。IRMCK201是美国国际整流公司(IR)开发的数字运动控制芯片，是专门针对伺服驱动系统而设计的。该器件可实现完整的速度环和电流环控制，其中电流环带宽达5．5 kHz，采样控制周期约为6 μs，PWM的载波频率可达70 kHz，具有快速的高性能伺服驱动能力。不同于DSP式伺服控制，IRMCK201无需编程，只要选择其内部的功能与参数即可实现复杂的伺服控制功能及算法。