基于FPGA的柔版印刷机压力调节系统设计

摘要

随着我国经济实力的不断提升，绿色智能设备的制造已经成为发展的必然趋势。在印刷领域中，柔版印刷机作为目前唯一一种无污染的印刷设备，在国外已发展成熟并广泛应用。由于国内在该领域的研究起步较晚，现已生产的中高端柔版印刷设备仍大量采用了国外的相关技术产品，掌握印刷领域的核心技术对推动国内印刷行业的发展起着重要的作用。柔版印刷机的压力调节是柔版印刷机实现高质量印刷的关键之一，本文针对柔版印刷机的压力调节系统进行了深入地研究与设计。 柔版印刷机的压力调节系统是运动控制技术在印刷工业中的典型应用。本文依据柔版印刷机压力调节的功能需求以及运动控制技术的相关内容，设计了一个由人机界面、以FPGA为核心的控制器、步进电机驱动器、步进电机以及光栅尺等组成的压力调节系统。 在运动控制算法层面，本文针对步进电机作执行单元时存在的失步与越步问题，以及系统使用光栅尺作反馈单元时存在的反馈滞后等问题进行研究。采用基准脉冲插补算法对步进电机的速度进行规划，并在此基础上设计出无超调的闭环控制算法。通过对偏差耦合控制策略的分析与改进，完成同步控制算法的设计。随后结合步进电机的数学分析，利用Matlab和Simulink工具对运动控制算法进行仿真，由此验证算法的可行性。 本文依据硬件电路的设计原则对控制器的硬件模块进行划分，通过分析各模块在实际工业现场的具体应用情况，选择合适的芯片，完成硬件电路的设计与制作。在FPGA程序设计中，依据硬件描述语言的特点，合理使用FPGA的内部资源对运动控制算法进行设计，并实现压力调节过程中通信、存储等相关功能。之后，利用Quartus II以及ModelSim软件，对系统的程序进行仿真验证。并在柔版印刷机上组建系统的实验平台，结合人机界面、千分尺以及逻辑分析仪等工具，完成系统的联调并得出实验结果，进而验证系统运行的平稳性。系统仿真与实际测试的结果表明，本文所设计的系统能够较好地实现柔版印刷机中的多轴协同运动控制，目前已成功应用于实际工业控制中。

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ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2关键技术分析

1.3国内外研究现状

1.3.1柔版印刷机的发展及现状

1.3.2运动控制技术的发展及现状

1.4研究内容以及章节安排

第二章 系统方案设计

2.1课题来源以及需求分析

2.1.1压力调节原理分析

2.1.2功能需求分析

2.2系统整体方案设计

2.2.1系统设计思路

2.2.2整体结构设计以及功能划分

2.2.3 控制器选型

2.2.4人机界面

2.2.5执行单元

2.2.6反馈单元

2.3本章小结

第三章 运动控制算法设计

3.1三相步进电机原理

3.1.1三相步进电机数学分析

3.1.2三相步进电机驱动方式

3.1.3步进电机仿真模型

3.2系统运动控制中关键问题分析

3.3运动曲线的规划与设计

3.3.1加减速运动曲线的选取

3.3.2运动曲线的实现

3.4闭环控制算法设计

3.5同步控制算法设计

3.6运动控制算法仿真

3.7本章小结

第四章 系统控制器设计

4.1硬件电路设计原则以及模块划分

4.1.1硬件电路设计原则

4.1.2硬件电路模块划分

4.2硬件模块设计

4.2.1 FPGA最小系统

4.2.2电源模块

4.2.3信号转换与处理模块

4.2.4存储模块

4.2.5通信模块

4.2.6测试与开放式预留端口模块

4.2.7硬件实物图

4.3 FPGA程序的设计原则及方法

4.3.1可综合性原则

4.3.2层次化设计

4.3.3设计方法

4.4 FPGA程序设计

4.4.1程序模块的划分以及数据流分析

4.4.2时钟与复位模块设计

4.4.3 HMI管理模块设计

4.4.4存储模块设计

4.4.5主站总线控制模块设计

4.4.6从站总线控制模块设计

4.4.7运动控制模块设计

4.5本章小结

第五章 系统测试与验证

5.1系统软件仿真

5.1.1时钟与复位模块仿真

5.1.2通信底层模块仿真

5.1.3 SD卡模块仿真

5.1.4光电采集模块仿真

5.1.5插补控制模块仿真

5.2系统测试

5.2.1系统实验平台的建立

5.2.2实验操作

5.2.3实际印刷效果图

5.3本章小结

总结与展望

6.1总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

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