一种用于打印机的色带张力控制装置及控制方法与流程

本发明涉及一种用于打印机的机械控制装置，尤其是一种色带张力的控制装置。

背景技术：

现代打印技术是从上世纪五六十年代开始出现的，从七十年代末开始，大量新技术应用，使打印技术的发展步入黄金时期，其发展日新月异。色带打码机具有体积小、打印速度快、可靠性高、打印成本低、易维护、易实现嵌入式设计等显著特点、广泛应用于工业/制造业、交通运输业、零售业以及商业、医疗保健等行业。近年来，随着信息化技术的发展，色带打码机的应用范围逐年拓宽，市场呈快速上升趋势。

在色带打码机运行过程中，对于色带张力控制这一核心技术问题，一直是工业自动化控制领域的难点、弱点。在色带打码机打印过程中，应用色带作为影像定着前的介质，在打印过程中必须保持色带张力均匀才能获得较佳的列印品质。在色带由供给卷轮传送至回收卷轮的过程中，如在固定扭矩下，色带张力会随着卷轮旋转半径改变而改变。如果色带张力太小，则卷轮无法带动色带前进，造成松弛现象。而如果色带张力太大，除了浪费扭矩外，还会使色带产生变形，甚至扯坏色带。

对于高性能的色带张力控制系统，转速闭环是必不可少的，转速闭环需要实时的电机转速，目前速度反馈量的检测多是采用光电脉冲编码器、旋转变压器或测速发电机。但是，由于速度传感器的安装给系统带来如下缺陷:

(1)系统的成本大大增加。

(2)码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。

(3)使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性。

(4)在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条件的影响。

因此提供一种高效率、高精度，且无需速度传感器的色带张力控制系统，对提高系统的可靠性、环境的适应性是本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种无需速度传感器的色带张力控制装置，通过检测定子电压、电流等容易测量的工作参数进行速度估算以取代速度传感器，达到使色带始终保持一定张力，减少由色带张力问题而引发的色带卡壳、复打及断裂等故障。本发明进一步提供一种用于所述控制装置的控制方法，以实现控制装置高效率、高精度的色带张力控制。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于打印机的色带张力控制装置，至少包括：

一对色带卷轮，即一供给卷轮与一回收卷轮；

一对电机，分别与所述一对色带卷轮连接，提供扭矩使一色带从其中任一卷轮卷收至另一卷轮，及控制一对电机的伺服驱动器；

一检测机构，用于在所述打印机初始化及运行过程中，检测所述一对色带卷轮的卷径、一对电机的电流及色带张力；以及

一色带张力控制机构，根据检测机构检测的卷轮卷径大小、电机电流的大小及色带张力的大小控制调整所述一对电机的转速。

进一步的，所述色带张力控制机构包括arm处理器、fpga处理器、电源管理电路、通信端口电路、电机驱动电路、四路io输入口电路、十路io输出口电路；所述arm处理器分别控制连接fpga处理器、电源管理电路、通信端口电路、四路io输入口电路、两路io输出口电路；所述fpga处理器分别控制连接arm处理器、电源管理电路、电机驱动电路、八路io输出口电路。

更进一步的，所述色带张力控制机构还包括一个与arm处理器连接的人机交互界面(hmi)。

进一步的，其中通信端口包括rs485端口、rs232端口、can-bus端口以及usb端口。

进一步的，所述检测机构包括一电流信号采集电路，连接所述一对电机，用以检测所述一对电机运行时的电流参数；一adc输出模块，用以将所述电流参数的模拟量转化为数字量，并输出给所述色带张力控制机构；一卷轮卷径检测单元，用以检测所述一对卷轮的卷径，并将检测结果输出给所述色带张力控制机构。

进一步的，所述检测机构还包括一电流放大器，用于放大所述电流信号采集电路采集到的电流信号。

进一步的，其中一对电机均为步进电机。

根据上述任一技术方案所述的色带张力控制装置，所述arm处理器通过一算法模块计算分析所述检测机构的检测结果，所述算法模块包括：

神经网络算法模块，用于色带张力识别，自动控制所述电机放卷、收卷；

卷径计算模块，用于计算所述色带卷轮卷径；

锥度计算模块，用于计算所述色带卷轮锥度；

记忆模块，用于保存上一次关机时所述色带张力控制装置，保持色带张力稳定；

pc机实时调试模块，用于与pc机联机调试，可以对神经网络算法模块进行预训练。

根据上述任一技术方案所述的色带张力控制装置，所述fpga处理器通过一控制模块控制所述电机放卷、收卷以及牵收张力，所述控制模块包括：

电源控制模块，用于控制电源管理电路；

通信模块，用于读取所述arm处理器算法模块计算数据；

电机驱动模块，用于输出电机伺服驱动器所需pwm控制信号。

本发明的有益效果在于：

1、可移植性好，由于本发明色带张力控制装置结构简单，方便安装，可在各主流品牌的打印机中使用；

2、色带张力控制能力强，由于本发明色带张力控制装置采用了高性能arm处理器与fpga处理器相结合的方式，将算法与控制模块分开，运用神经网络算法模块，具有计算速度快，控制能力强等特点，可以在复杂情况下保持张力稳定；

3、功能丰富，由于本发明色带张力控制装置带有通信端口、hmi等模块，便于人机交互，降低技术人员操作难度，使用面广；

4、由于本发明色带张力控制装置结构简单，大幅降低了机械结构的复杂性，降低系统成本，减小安装难度，便于工作人员日常维护。

附图说明

图1为本发明所述色带张力控制装置结构示意图；

图2为本发明所述色带张力控制机构工作框图；

图3为本发明所述色带张力控制装置检测机构示意图；

图4为本发明色带张力控制装置接口框图；

图5为一种色带打码机结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图详述本发明具体实施方式及实施例：

如图1所示，一种用于打印机的色带张力控制装置，至少包括：

一对色带卷轮300a、300b，即一供给卷轮与一回收卷轮；

一对电机400a、400b，分别与所述一对色带卷轮连接，提供扭矩使一色带从其中任一卷轮卷收至另一卷轮，及控制一对电机的伺服驱动器500；

一检测机构200，用于在所述打印机初始化及运行过程中，检测所述一对色带卷轮的卷径、一对电机的电流及色带张力；以及

一色带张力控制机构100，根据检测机构检测的卷轮卷径大小、电机电流的大小及色带张力的大小控制调整所述一对电机的转速。

如图2所示，进一步的所述色带张力控制机构100包括arm处理器106、fpga处理器107、电源管理电路101、通信端口电路102、电机驱动电路108、四路io输入口电路103、十路io输出口电路104、105；所述arm处理器106分别连接/控制fpga处理器107、电源管理电路101、通信端口电路102、四路io输入口电路103、两路io输出口电路104；所述fpga处理器107分别连接/控制arm处理器106、电源管理电路101、电机驱动电路108、八路io输出口电路105。其中通信端口电路102包括rs485端口、rs232端口、can-bus端口以及usb端口。

如图3所示，进一步的所述检测机构200包括一电流信号采集电路201，连接所述电机400a/400b，用以检测所述电机运行时的电流信号；一电流放大器202，用于放大所述电流信号采集电路201采集到的电流信号；一adc输出模块203，用以将所述电流信号的模拟量转化为数字量，并输出给所述色带张力控制机构100。

进一步的所述色带张力控制机构100通过所述通信端口电路102连接有一pc机600，通过所述arm处理器106连接有一人机交互界面700(hmi)。

进一步的，上述实施方式中一对电机400a、400b均为步进电机。

上述实施方式中，所述色带张力控制机构100为整个系统的计算和控制中心，该机构通过通信端口电路102与pc机600相接，方便工作人员进行对基本参数的设定，并根据检测机构200所获得实时数据进行张力计算，并根据计算结果形成相应的控制信号，传送给控制供给卷轮300a与回收卷轮300b的电机400a与400b。hmi700与色带张力控制机构100相连接，形成直接的，便于操作的人机交互界面，实现与pc机600相同功能的基本参数的设定，并可以直观的读取设定的参数与计算后的结果。

如图2本发明所述色带张力控制机构工作框图所示：

根据上述任一技术方案所述的色带张力控制装置，所述arm处理器通过一算法模块计算分析所述检测机构的检测结果，所述算法模块包括：

神经网络算法模块，用于色带张力识别，自动控制所述电机放卷、收卷；

卷径计算模块，用于计算所述色带卷轮卷径；

锥度计算模块，用于计算所述色带卷轮锥度；

记忆模块，用于保存上一次关机时所述色带张力控制装置，保持色带张力稳定；

pc机实时调试模块，用于与pc机联机调试，可以对神经网络算法模块进行预训练。

根据上述任一技术方案所述的色带张力控制装置，所述fpga处理器通过一控制模块控制所述电机放卷、收卷以及牵收张力，所述控制模块包括：

电源控制模块，用于控制电源管理电路；

通信模块，用于读取所述arm处理器算法模块计算数据；

电机驱动模块，用于输出电机伺服驱动器所需pwm控制信号。

如图5所示，本发明实施例为一种色带打码机色带张力控制装置，利用上述具体实施方式中所述色带张力控制机构100进行色带张力控制。在该实施例中所述控制装置由两个色带卷轮300a、300b，两个电机400a、400b，两个检测机构200a、200b，两个伺服驱动器500a、500b，一个色带张力控制机构100和一个hmi700组成。

其中，色带张力控制机构100控制的两个伺服驱动器500a、500b分别与相应的供给卷轮电机400a和回收卷轮电机400b相连，两个检测机构200a、200b对伺服驱动器500a、500b输出电流信号进行检测，并将检测到的电流模拟信号转化为12bit的数字信号，传输至色带张力控制机构100，用于计算相应色带端张力数值，并根据计算结果对伺服驱动器500a、500b的控制信号进行调节。如图3所示，本实例中的检测机构200a/200b由电流信号采集模块201、放大器模块202和adc模块203组成。所述电流信号采集模块201串联在伺服驱动器器500a/500b与电机400a/400b之间，将采集好的电流数据传送至放大器模块202，其中放大器模块202由减法电路与放大电路组成，减法电路用于减去无用的直流电压分量，放大电路将有效的电压分量进行放大，由adc模块203转换为12bit的数字信号，并将该数字信号传至色带张力控制机构100进行运算处理，得出控制信号后，对供给卷轮电机400a与回收卷轮电机400b进行调整控制。如图2所示，本实施例中的色带张力控制机构100包括arm处理器106、fpga处理器107、电源管理电路101、通信端口电路102、电机驱动电路108、四路io输入口电路103、十路io输出口电路104、105；所述arm处理器106分别连接/控制fpga处理器107、电源管理电路101、通信端口电路102、四路io输入口电路103、两路io输出口电路104；所述fpga处理器107分别连接/控制arm处理器106、电源管理电路101、电机驱动电路108、八路io输出口电路105。arm处理器106作为色带张力控制机构100的数据处理中心，通过内部的算法模块对通信端口以及检测机构200a、200b传至的数据进行分析处理。对于所述算法模块，主要包括神经网络算法模块、卷径计算模块、锥度计算模块、记忆模块、pc机600实时调试模块，用于实现人工智能调节，卷径计算，锥度变换，色带张力维持，人机智能交互等功能。所述神经网络算法模块，用于实现自动控制供给卷轮电机400a与回收卷轮电机400b加、减速，来维持色带张力稳定。对于目前常规pid算法在色带张力控制上的应用，本实施例结合模糊控制、人工智能等思想提出的神经网络算法模块，可以大幅提升色带张力控制响应的速度，增加色带张力控制系统的鲁棒性。

本实例中神经网络算法模块具有以下特点：

1、可移植性好，本发明中的神经网络算法模块无需进行数据建模，对系统性能参数依赖小，可通过神经网络预训练进行参数设定；

2、色带张力控制能力强，算法响应速度快，在开机、关机、升降速可实现自动控制；

3、输出稳定，震荡幅度小，运行过程中大幅降低运行速度波动；

4、神经网络算法模块结合模糊控制，人工智能等思想，符合未来发展规律。

卷径计算模块，用于卷轮半径的计算。由于色带张力影响整个打印品质，且有关系式：

色带张力＝扭矩/卷轮旋转半径

可知色带张力和供给卷轮300a与回收卷轮300b的旋转半径相关。在色带打码机运行时，供给卷轮300a随着色带越来越少，供给卷轮300a卷径也越来越小；反之，回收卷轮300b卷径越来越大，而卷径的变化一直是影响色带张力的首要因素，卷轮300a、300b卷径的测量数值准确性很大程度上影响着色带张力控制的稳定性。

本实施例中卷径计算模块包含有：脉冲比值法、厚度累加法、模拟量输入法、模拟量比值法、超声波检测法等多种卷径计算方法。

锥度计算模块，用于实现计算供给卷轮300a与回收卷轮300b运行时的锥度。在色带由供给卷轮300a传送至回收卷轮300b过程中，防止由于卷轮300卷径变化而导致的色带张力变化出现的错位、偏位、松弛、褶皱等现象，张力逐渐随着卷轮300a、300b卷径的变大而减小，这个过程称之为锥度控制。

本实施例中锥度计算模块包含有：直线锥度特性、曲线锥度特性、计时锥度特性。

记忆模块，用于保存上一次关机时所述色带张力控制装置，保持色带张力稳定；

pc机600实时调试模块，用通过usb接口于与pc机600联机调试，可以对神经网络算法模块进行预训练。

通过该模块还可以实现通过pc机600对色带张力控制机构100中的数据采样与运算处理结果的直接观察，设置色带张力控制装置的运行速度、方向、步长等参数信息。

fpga处理器107作为色带张力控制机构100的控制中心，控制模块用于控制所述电机400a、400b放卷、收卷以及牵收张力。对于所述控制模块，主要包括电源控制模块、通信模块、电机驱动模块，用于实现上电时序控制、与arm处理器106进行通信、对供给卷轮电机400a、回收卷轮电机400b进行控制。

电源控制模块，用于控制电源管理电路101；

通信模块，用于读取所述arm处理器106算法模块计算数据；

电机驱动模块，用于输出所述电机驱动模块所需pwm控制信号。

如图4所示，本实施例中的色带张力控制机构100的具体接口组成如下：

can-bus端口：可与所有的带can-bus接口的器件相连，可通过相应的开关来设置通信速率，带电气隔离。

rs485端口：可与所有的带rs485接口的器件相连，可通过相应的开关来设置通信速率，带电气隔离。

rs232端口：可与所有的带rs232接口的器件相连，可通过相应的开关来设置通信速率，带电气隔离，可作为调试端口。

usb端口，可用于pc600通信与调试接口。

四路io输入口电路103具有8个接线端子：din0、din1、din2、din3、din0_com、din1_com、din2_com、din3_com。

din0，作为供给电机400a电流采样信号接口。

din1，作为回收电机400b电流采样信号接口。

din2，作为供给卷轮300a卷径信号接口。

din3，作为回收卷轮300b卷径信号接口。

din0_com，作为din0公共输入端。

din1_com，作为din1公共输入端。

din2_com，作为din2公共输入端。

din3_com，作为din3公共输入端。

十路io输入口电路104、105具有13个接线端子：do0、do1、do2、do3、do4、do5、do6、do7、do8、do9、da_com、db_com、do_com.

do0，作为供给电机400a控制信号a+端接口。

do1，作为供给电机400a控制信号a-端接口。

do2，作为供给电机400a控制信号b+端接口。

do3，作为供给电机400a控制信号b-端接口。

do4，作为回收电机400)控制信号a+端接口。

do5，作为回收电机400b控制信号a-端接口。

do6，作为回收电机400b控制信号b+端接口。

do7，作为回收电机400b控制信号b-端接口。

do8，作为欠张力报警输出端接口。

do7，作为过张力报警输出端接口。

da_com，作为供给电机400a控制信号公共输出端。

db_com，作为回收电机400b控制信号公共输出端。

do_com，作为报警输出信号公共输出端。

以上说述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。