[Zusammenfassung]: Dieser Artikel stellt eine Methode zur Spannungsregelung in einem Farbdrucksystem mittels eines digitalen Signalprozessors (DSP) vor. Die Hardwarestruktur und der Softwareentwurf des Systems werden detailliert beschrieben. Als Regelungsstrategie wird ein inkrementelles PID-Regelungsverfahren eingesetzt. Experimente zeigen, dass das mit einem DSP entwickelte Hardwaresystem sehr erfolgreich ist. Die Konstantspannungsregelung lässt sich einfach über den PWM-Ausgang des DSP realisieren. Die Fehlertoleranz der Konstantspannungsregelung liegt unter 1 %, und es wird ein guter Regelungseffekt erzielt. 1 Einleitung Die Spannungsregelung findet breite Anwendung in der Textil-, Druck-, Stahl- und anderen Industrien. Die Qualität der Spannungsregelung beeinflusst direkt die Produktqualität. In der Druckindustrie wird das Rollenmaterial kontinuierlich abgewickelt und in die Druckmaschine eingeführt. Nur durch die Aufrechterhaltung einer bestimmten, stabilen Spannung des Rollenmaterials in der Druckeinheit können die Stabilität des Registerprozesses und die Registergenauigkeit der Druckprodukte gewährleistet werden. Daher ist die Spannungsregelung ein Schlüsselfaktor im Druckprozess. Dieser Artikel schlägt ein auf einem DSP basierendes Hardwaresystem zur Konstantspannungsregelung vor, das in der Anwendung gute Ergebnisse erzielt hat. 2 Spannungsregelungsstrategie In analogen Regelsystemen ist die PID-Regelung das am häufigsten verwendete Reglergesetz. Der in diesem Beitrag vorgestellte Regler verwendet eine inkrementelle PID-Regelung [1]. Das Blockdiagramm des Regelsystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Hardware des Regelsystems basiert auf der DSP-Architektur der Serie TMS320LF240, die speziell für die Echtzeit-Signalverarbeitung entwickelt wurde. Diese DSP-Controller-Serie integriert Echtzeitverarbeitungsfunktionen und Peripheriefunktionen und verfügt über umfangreiche Hardware-Ressourcen. Dadurch wird die Anzahl externer Komponenten deutlich reduziert und die Berücksichtigung von Komponentenverzögerungen, logischen Beziehungen, Komponentenauswahl und Koordination mit anderen Schaltungen entfällt. Das System besteht im Wesentlichen aus einem Spannungssignal-Erfassungsmodul, einem Magnetpulverbremsen-Ansteuermodul, einem MAX485-Differenzialkommunikationsmodul und einem minimalen System. Das Blockdiagramm des Basisdesigns ist in Abbildung 2 dargestellt. 3.1 Spannungssignal-Erfassung Das System umfasst vier Spannungssignal-Erfassungsmodule. Jeder Abschnitt zur Erfassung des Spannungssignals besteht im Wesentlichen aus einem Differenzverstärker-Chip LM324, einem Spannungs-Frequenz-Wandler-Chip LM331 und einem Impulszähler-Chip 74HC393. Das Spannungssignal wird vom Spannungssensor in ein Spannungssignal umgewandelt und an den LM324 gesendet. Der LM324 verfügt über zwei Differenzverstärkerstufen und eine Komparatorstufe und gibt ein Spannungssignal von 0–10 V aus. Dieses Spannungssignal wird in der ersten Differenzverstärkerstufe dreifach verstärkt und anschließend an die Eingänge der zweiten Differenzverstärkerstufe und des Komparatorverstärkers ausgegeben. Ist das Signal nach der ersten Differenzverstärkerstufe ≤ 100 mV, beträgt die Ausgangsspannung nach der zweiten Differenzverstärkerstufe 0–10 V. Ist das Signal nach der ersten Differenzverstärkerstufe > 100 mV, beträgt die Ausgangsspannung nach dem Komparatorverstärker 10 V. Der LM324 gibt eine Spannung von 0–10 V aus und sendet diese an den LM331. Der LM331 wandelt das 0-10-V-Spannungssignal in ein Frequenzsignal von 0-10 kHz um. Dieses Frequenzsignal wird anschließend optisch isoliert, wellenformgeformt und zur Impulszählung an den 74HC393 gesendet. Die Daten werden schließlich an den TMS320LF2407A weitergeleitet. 3.2 PWM-Treibermodul: Der TMS320LF2407A verfügt über eine integrierte 16-Kanal-PWM-Signalausgabe [2]. Nach der Ansteuerung durch die CPU wird das Abtastsignal verarbeitet und ein PWM-Ausgangssignal mit einem bestimmten Tastverhältnis erzeugt. Dieses Stromsignal wird durch den TLP251 isoliert und von einem MOSFET angesteuert. Das so erzeugte Stromsignal mit dem entsprechenden Tastverhältnis wird an die Magnetpulverbremse gesendet, um das Bremsmoment zu steuern und somit eine konstante Bremskraftregelung zu erreichen. 4 Software-Design: Die Software dieses Steuerungssystems ist in Assemblersprache geschrieben. Das Software-Design basiert auf dem seriellen Kommunikationsmodul, dem Timing-Modul und dem Bremskraftregelungsmodul. Das serielle Kommunikationsmodul empfängt Daten vom Host-Computer, setzt das Flag-Bit und sendet Daten an den Host-Computer. Das Timing-Modul reagiert auf Schaltvorgänge, plant Systemaufgaben und verarbeitet die Kommunikation. Das Spannungsregelungsmodul verarbeitet Spannungsdaten, bereitet die Spannung vor und regelt sie. Die Spannungsregelung erfolgt hauptsächlich durch die Verarbeitung des Spannungsfehlers und mithilfe eines in der industriellen Steuerungstechnik üblichen PID-Reglers. Dieser regelt den Strom der Magnetpulverbremse und der Magnetpulverkupplung und damit das Bremsmoment, um eine konstante Spannung zu gewährleisten. Das zugehörige Programmablaufdiagramm ist in Abbildung 3 dargestellt. 5. Experimentelle Ergebnisse: Während des Regelungsprozesses wird die Spannung an jedem Punkt über einen Spannungssensor an den Spannungsregler zurückgemeldet. Der Spannungsregler passt die Spannung anhand der Differenz zwischen Soll- und Sollspannung an. Der Spannungssensor gibt ein Spannungssignal aus, das nach der Spannungs-Frequenz-Wandlung in ein Impulssignal umgewandelt wird. 1000 Impulse entsprechen einer Spannung von 30 kg, d. h. jeder Impuls entspricht 0,03 kg Spannung. Die Ausgänge der Ab- und Aufwickelspannungsregler werden alle 100 ms abgetastet. Die gewonnenen Daten werden mit Matlab verarbeitet, und die Fehlerverläufe der Spannungsregler für die Ab- und Aufwickelabschnitte sind in Abbildung 4 bzw. 5 dargestellt. Jeder Impuls entspricht einer Spannung von 0,03 kg. Die Abtastergebnisse zeigen, dass der Fehler der Konstantspannungsregelung innerhalb von 0,1 kg und der Fehler des Spannungsreglers innerhalb von 1 % bei einer vorgegebenen Spannung von 10 kg gehalten wird. 6. Fazit: Das in dieser Arbeit vorgestellte Hardware-System zur Spannungsregelung, das den TMS-320LF2407A als Steuerchip verwendet, zeichnet sich durch seine kompakte Bauweise, hohe Störfestigkeit, gute Geschwindigkeit und ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Es hat im Regelungsprozess gute Ergebnisse erzielt. Mit der Diversifizierung der Anforderungen im heimischen Drucksektor werden Druckmaschinen immer fortschrittlicher und die Anforderungen an die Spannungsregelung immer strenger. DSP-basierte Konstantspannungsregelungssysteme bieten hervorragende Anwendungsmöglichkeiten. (Quelle: Electric Drive)