楊德偉，張文源，林炳宏，楊 菲

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.工正集團(tuán)有限公司 浙江 溫州325105；3.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

基于FPGA的圖文打印機(jī)卷紙張力控制設(shè)計與實現(xiàn)

楊德偉1，2，張文源2，林炳宏2，楊 菲3

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.工正集團(tuán)有限公司 浙江 溫州325105；3.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

針對圖文打印機(jī)中卷紙張力的變化對打印質(zhì)量的影響，對系統(tǒng)張力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，采用微控制器FPGA以及外圍控制電路設(shè)計適合噴墨打印機(jī)的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案，對模糊PID控制模塊進(jìn)行設(shè)計和仿真，并且對比了常規(guī)PID和模糊PID的階躍響應(yīng)。系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、精度高、控制簡單等特點(diǎn)，并具有模糊PID控制算法，適合噴墨打印機(jī)的張力控制，降低了制造成本，滿足系統(tǒng)的控制要求。

張力控制；FPGA；閉環(huán)控制；模糊PID

圖文打印機(jī)是將墨滴以噴墨的方式滴在卷紙上[1]，通過卷紙分切，打印出不定長度的完整工程圖紙。圖文打印機(jī)工作過程中，牽引輥帶動卷紙進(jìn)行打印，牽引輥輸出的轉(zhuǎn)矩要克服供紙系統(tǒng)的慣性，將卷紙送入到打印區(qū)域。當(dāng)卷紙慣性轉(zhuǎn)矩過大，啟動打印過程中牽引輥的輸出轉(zhuǎn)矩不能克服供紙系統(tǒng)的慣性時，就會出現(xiàn)卷紙打滑或卷紙斷裂現(xiàn)象；打印結(jié)束時，卷紙的具有一定的慣性，會造成卷紙的冗余現(xiàn)象，影響打印機(jī)的打印質(zhì)量。在打印機(jī)工作過程中，為了克服這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須保證打印卷紙在打印過程中恒張力運(yùn)動[2]，提高打印機(jī)的打印質(zhì)量。

市場上的張力控制系統(tǒng)，采用磁粉離合器和磁粉制動器分別控制收卷和放卷機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)放卷和收卷張力的控制[3]；圖文打印機(jī)只有放卷機(jī)構(gòu)，控制方法不同于市場上張力控制系統(tǒng)的控制方式，控制精度以及安裝尺寸的要求等；所以市場上的控制系統(tǒng)不合適圖文打印機(jī)張力控制。

系統(tǒng)采用EP1C6Q240C8型FPGA作為主控芯片，通過控制磁粉制動器和伺服電機(jī)實現(xiàn)對卷紙張力的控制，系統(tǒng)采用模糊PID控制算法，相對于普通PID控制具有很好的動態(tài)特性[4]，該系統(tǒng)具有外圍電路設(shè)計簡單，響應(yīng)速度快，控制精度高，較強(qiáng)的魯棒性，低功耗、低成本的特點(diǎn)，具有很好的實用性。

1 系統(tǒng)張力的結(jié)構(gòu)

圖文打印機(jī)的張力控制系統(tǒng)由微控制器FPGA以及外圍控制電路構(gòu)成。首先，設(shè)置適合卷紙張力的范圍值，通過張力檢測機(jī)構(gòu)將張力值送入FPGA進(jìn)行偏差計算，模糊PID控制算法對對偏差進(jìn)行計算和處理，控制張力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制卷紙張力的變化，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)。

圖1所示為圖文打印機(jī)卷紙張力控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有牽引部分和制動部分組成。牽引部分由直流步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，完成對打印區(qū)域卷紙的牽引；制動部分由交流伺服電機(jī)和磁粉制動器構(gòu)成，完成對紙卷的驅(qū)動和制動。兩部分結(jié)構(gòu)利用卷紙成為一個整體。牽引電機(jī)主要產(chǎn)生一個正向的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對卷紙的牽引，送入打印區(qū)域。驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生一個正向的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)啟動；磁粉制動器產(chǎn)生一個反向的制動轉(zhuǎn)矩[5]，使卷紙保持一定的張力，平整送入打印區(qū)域。

圖1 圖文打印機(jī)卷紙張力控制結(jié)構(gòu)

打印機(jī)工作過程中，紙卷半徑和轉(zhuǎn)動慣量是實時變化的，為了能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，應(yīng)該使卷紙的線速度和張力保持恒定，所以卷紙張力的控制要求為如下幾點(diǎn)[6]：1）打印機(jī)正常工作時，要保持卷紙張力的恒定，磁粉制動器則工作在線性區(qū)域；2）打印機(jī)工作時，隨著卷徑的減小，為了維持張力的恒定，磁粉制動器的制動轉(zhuǎn)矩也隨之變化；3）在打印機(jī)工作過程中對張力進(jìn)行實時檢測，形成閉環(huán)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的控制精度。

圖2為卷紙機(jī)構(gòu)的簡化圖，令T為卷紙的張力，紙卷直徑D2，半徑為，打印速度為V2紙卷放紙速度為V1，由胡克定律可得：

圖2 卷紙機(jī)構(gòu)的簡化圖

1）式中：σ為卷紙的彈性模量；ε為卷紙的橫截面積；L為傳動距離，t為時間。由上可得，卷紙的張力是一個積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)啟動過程中保持V2＞V1，才能使得卷紙有一定的張力，系統(tǒng)穩(wěn)定后調(diào)節(jié)V1，使系統(tǒng)張力穩(wěn)定[4]。

根據(jù)張力模型的分析，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，磁粉制動器工作在線性制動區(qū)域，則系統(tǒng)的運(yùn)動方程為：

式（2）中：T為卷紙的張力，R為紙卷的半徑，Mc為磁粉制動的制動轉(zhuǎn)矩，M0為空轉(zhuǎn)矩，MW為驅(qū)動器器的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。通過控制MW的輸出，實現(xiàn)對系統(tǒng)張力的控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2 張力系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

根據(jù)圖文打印機(jī)的張力控制要求，張力控制系統(tǒng)包括：控制模塊、通信模塊、檢測模塊、執(zhí)行模塊以及電源模塊；控制模塊由微控制器FPGA以及存儲單元構(gòu)成；檢測模塊由光柵傳感器和光電編碼器構(gòu)成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由磁粉制動器和伺服電機(jī)構(gòu)成。

系統(tǒng)驅(qū)動板硬件框圖如圖3所示。

Altera公司的Cyclone系列是可編程邏輯器件中比較盛行的芯片，此芯片邏輯運(yùn)算處理速度快，最高工作頻率可達(dá)400 MHz，工作電壓為3.3 V、1.5 V，輸入輸出為TTL邏輯電平，控制簡單，程序上易于實現(xiàn)。 系統(tǒng)使用 Altera公司的 Cyclone系列的EP1C6Q240C8型號芯，芯片具有5980邏輯門，工作頻率支持33~66 MHz，具有兩個鎖相環(huán)，有豐富的I/ O口，芯片結(jié)構(gòu)簡單，成本低，電路設(shè)計簡單。系統(tǒng)采用雙電源供電模式，首先系統(tǒng)需要外接直流5 V和24 V電源進(jìn)行供電；其次，5 V電源通過電壓轉(zhuǎn)化芯片AS1117/3.3和AS1117/1.5將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V，3.3 V轉(zhuǎn)換成1.5 V對FPGA進(jìn)行供電，最后，將24 V電源經(jīng)過簡單三極管和穩(wěn)壓二極管的設(shè)計轉(zhuǎn)換成15 V電壓供芯片使用。

張力控制系統(tǒng)通過串口通信的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，主要傳送卷紙長度信息以及系統(tǒng)反饋到上位機(jī)的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)設(shè)計采用RS232通信方式；串口通信模式只有接收（RX）和發(fā)送（TX）兩根數(shù)據(jù)線，8 bit數(shù)據(jù)傳輸方式，波特率為9 600 bit/s；MAX3232芯片將串口發(fā)送的電平轉(zhuǎn)換成FPGA可處理的TTL邏輯電平，F(xiàn)PGA內(nèi)部進(jìn)行程序處理，實現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信。

光柵傳感器通過檢測張力輥的位置信息對張力的值進(jìn)行實時檢測，光柵傳感器將卷紙張力的值數(shù)字傳送到FPGA，F(xiàn)PGA進(jìn)行偏差運(yùn)算處理。光柵傳感器分辨率為200 DPI，5 V供電，精度為8位。市場上傳統(tǒng)的張力傳感器價格昂貴，設(shè)計電路復(fù)雜，外形尺寸等因素不合適噴墨打印機(jī)張力控制系統(tǒng)。卷紙長度采用光電編碼器進(jìn)行計算和檢測，光電編碼器將長度數(shù)字信息傳送至FPGA，F(xiàn)PGA進(jìn)行計算，并通過串口反饋至上位機(jī)，顯示打印完成，系統(tǒng)停止打印，整個打印過程是一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

FPGA通過計算和處理光柵傳送到張力值信號，得出偏差值，通過模糊PID算法進(jìn)行調(diào)整，輸出PWM控制信號至伺服驅(qū)動器和磁粉制動器，控制系統(tǒng)卷紙張力的恒定。伺服驅(qū)動器采用PWM的控制方式[7]，為了保證系統(tǒng)抗干擾能力，電路設(shè)計采用RS422差分傳輸?shù)姆绞?，將PWM脈沖控制信號傳至伺服驅(qū)動器對電機(jī)進(jìn)行控制。磁粉制動器采用勵磁電流進(jìn)行控制，勵磁電流的大小決定磁粉制動器輸出的制動轉(zhuǎn)矩，磁粉制動采用24 V電源供電，F(xiàn)PGA輸出的 PWM控制波，通過 MOS管控制芯片TND37TD轉(zhuǎn)化成能夠控制MOS管的PWM開關(guān)信號對磁粉制動器進(jìn)行控制[8]，芯片TND37TD采用直流15 V供電，替代了原有的信號放大部分電路的設(shè)計，電路設(shè)計簡單，控制精確，低功耗，易于實現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)驅(qū)動板硬件框圖

3 張力系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

Altera公司的Cyclone系列的FPGA芯片，編程使用QuartusII軟件，QuartusII支持多種系列FPGA程序的編寫和綜合，在芯片配置和使用方面都便于操作。系統(tǒng)上電時，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后再接受各部分的信息進(jìn)行處理和運(yùn)算。

系統(tǒng)初始化結(jié)束后，系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)不斷循環(huán)接受由上位機(jī)通過串口發(fā)送來的打印信息，當(dāng)接收到打印信息時，系統(tǒng)進(jìn)行打印，若無打印信息，系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)接收。在設(shè)計串口與上位機(jī)通信時，波特率設(shè)置為9 600 bit/s，在系統(tǒng)信息傳送過程中間采用異步FIFO作為緩沖區(qū)，調(diào)整系統(tǒng)的時序，保證系統(tǒng)傳輸信息的正確性。打印過程中，光柵傳感器實時將檢測信號送入FPGA，F(xiàn)PGA內(nèi)部進(jìn)行偏差和PID處理運(yùn)算，并輸出PWM控制信號，通過控制張力執(zhí)行結(jié)構(gòu)保持系統(tǒng)張力的恒定。

根據(jù)圖文打印機(jī)張力的控制要求，系統(tǒng)采用帶死區(qū)的模糊PID算法[9]，在張力值一定變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)不做出調(diào)整，當(dāng)張力的值超出固定的范圍時，F(xiàn)PGA內(nèi)部進(jìn)行偏差計算和模糊PID調(diào)整，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)[10]。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

4 仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，在QuartusII編譯環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行軟件程序設(shè)計[11-12]，圖5是系統(tǒng)的模糊PID模塊部分設(shè)計模塊。

Modulesim是第三方仿真軟件，通過編寫測試文件，對系統(tǒng)的模糊PID模塊進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)系統(tǒng)交流伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，實現(xiàn)對伺服電機(jī)的PID控制[13]。MATLAB中的Simulink仿真環(huán)境進(jìn)行常規(guī)PID和模糊PID進(jìn)行仿真[14-15]。通過比較常規(guī)PID和模糊PID階躍響應(yīng)曲線，可知，模糊PID控制效果更佳。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖5 模糊PID模塊FPGA方框圖

圖6 模糊PID模塊的功能仿圖

圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)下常規(guī)PID和模糊PID的Simulink仿真圖

通過階躍響應(yīng)曲線可知，常規(guī)PID在響應(yīng)初具有一定的超調(diào)，而且有不穩(wěn)定的波動，模糊PID響應(yīng)平穩(wěn)，很快趨于穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果。

仿真方法簡單、效果直觀、可視化程度高，具有一定的工程意義和實用價值。

5 結(jié) 論

基于FPGA的圖文打印機(jī)卷紙的張力控制系統(tǒng)，在硬件設(shè)計上結(jié)構(gòu)簡單，低功耗，低成本，取代了原始的電路設(shè)計方法。首先，通過分析研究圖文打印機(jī)張力的控制模型，得出系統(tǒng)的控制方法和手段；其次，采用FPGA主控芯片及其外圍電路輔助設(shè)計控制系統(tǒng)硬件，設(shè)計具有低功耗，低成本的特點(diǎn)；再次，在QuartusII和MATLAB環(huán)境下設(shè)計模糊PID控制算法的實現(xiàn)，完成仿真。在QuartusII環(huán)境下設(shè)計模糊PID運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需的功能，并通過在MATLAB的Simulink工具箱中對常規(guī)PID和模糊PID進(jìn)行階躍響應(yīng)仿真，常規(guī)PID具有明顯的超調(diào)現(xiàn)象，可以看出，模糊PID控制算法控制效果更優(yōu)，提高了系統(tǒng)的魯棒性和實時性。

系統(tǒng)在圖文打印機(jī)中得到了很好的應(yīng)用，通過在打印機(jī)上的應(yīng)用可以得出，控制系統(tǒng)有很好的自適應(yīng)能力，可以得出，控制系統(tǒng)在其他行業(yè)也能得廣泛的推廣。系統(tǒng)采用數(shù)字化張力信號檢測和采集，模糊PID進(jìn)行誤差調(diào)整，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，魯棒性強(qiáng)，設(shè)計簡單，成本低，具有很好的實用性和參考價值。

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Graphic printer paper tension control based on the FPGA design and implementation

YANG De-wei1，2，ZHANG Wen-yuan2，LIN Bing-hong2，YANG Fei3
（1.College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.GongZhengGroup，Wenzhou 325105，China；3.College of Mechanical and Electrical，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Aiming at the change of roll tension in graphic printer to print quality and the effect of tension mathematics model of the system were analyzed，and controlled by microcontroller FPGA and peripheral circuit design for inkjet printer closed-loop tension control system，system hardware design and software design scheme is given，and the design and simulation of fuzzy PID control module，and compares the general step response of PID and fuzzy PID.System with fast response speed，high precision，simple control and so on，and a fuzzy PID control algorithm，is suitable for the tension control ink-jet printer，reduces the manufacturing cost，satisfy the requirement of the system control.

tension control；FPGA；closed loop control；fuzzy PID

TN709

：A

：1674－6236（2017）01-0110-04

2015-12-10稿件編號：201512120

楊德偉（1988—），男，遼寧建昌人，碩士研究生。研究方向：智能自動化裝置。