如何實(shí)現(xiàn)多伺服電機(jī)同步控制？

      本文針對(duì)機(jī)組式印刷機(jī)械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的同步控制解決方案，并得以驗(yàn)證。
      在印刷機(jī)械行業(yè)中，多電機(jī)的同步控制是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。由于印刷產(chǎn)品的特殊工藝要求，尤其是對(duì)于多色印刷，為了保證印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各個(gè)電機(jī)位置轉(zhuǎn)差率很高（一般≤0.02%）。在傳統(tǒng)的印刷機(jī)械中，以往大都采用以機(jī)械長(zhǎng)軸作為動(dòng)力源的同步控制方案，但機(jī)械長(zhǎng)軸同步控制方案易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，各個(gè)機(jī)組互相干擾，而且系統(tǒng)中有許多機(jī)械零件，不方便系統(tǒng)維護(hù)和使用。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不斷應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)機(jī)組式印刷機(jī)械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的同步控制解決方案，并得以驗(yàn)證。
無(wú)軸傳動(dòng)印刷機(jī)控制系統(tǒng)的同步需求
      機(jī)組式卷筒印刷機(jī)一般由給紙機(jī)組、印刷機(jī)組、張力機(jī)組、加工機(jī)組和復(fù)卷機(jī)組等機(jī)組組成。在傳統(tǒng)的有軸傳動(dòng)印刷機(jī)中，動(dòng)力源由異步電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)一根機(jī)械長(zhǎng)軸（約10-20m），然后通過(guò)長(zhǎng)軸帶動(dòng)各機(jī)組的齒輪、凸輪、連桿等傳動(dòng)元件，再通過(guò)傳動(dòng)元件帶動(dòng)設(shè)備的執(zhí)行元件完成設(shè)備的輸人、輸出任務(wù)。
      卷筒印刷機(jī)要求印刷速度為300m/min，套印精度≤0.03mm，為了滿足套印精度，要求在各個(gè)機(jī)組定位精度≤0.03mm。在印刷機(jī)印刷過(guò)程中，要求各機(jī)組軸與機(jī)械長(zhǎng)軸保持一定的同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系，能否很好的實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)組軸的同步關(guān)系，將直接影響到印刷速度、套印精度等。其中，給紙機(jī)組、印刷機(jī)組要求與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度成一定的比例關(guān)系，張力機(jī)組根據(jù)不同的印刷速度調(diào)整張力系數(shù)，加工機(jī)組需要與主軸保持凸輪運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而復(fù)卷機(jī)組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，要求隨著紙卷直徑的增大而減小。
      我們把機(jī)械長(zhǎng)軸作為主軸（參考軸），各印刷機(jī)組軸為從動(dòng)軸，如圖1，各從動(dòng)軸與主軸要滿足同步關(guān)系θ1=f1（θ） ，θ2=f2（θ） ，θ3=f3（θ） ··· ，其中，θ為主軸位置轉(zhuǎn)角，θ1、θ2、θ3···為從動(dòng)軸位置轉(zhuǎn)角。

圖 1 主從軸同步關(guān)系

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
      考慮到印刷機(jī)中同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，套印精度高、印刷機(jī)組點(diǎn)多、分散，多操作子站，印刷生產(chǎn)線長(zhǎng)等特點(diǎn)，采用全分散、全數(shù)字、全開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS，總線的選擇選用CAN總線。
      為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)印刷機(jī)組的復(fù)雜同步關(guān)系，將主控制器和各個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器都掛接到CAN總線上，構(gòu)成以印刷機(jī)控制器為核心的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，如圖2。
      控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器都配有CAN總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的通訊適配卡，通過(guò)連接在印刷機(jī)控制器上的CAN通訊適配卡，控制器可以方便、快速的與各伺服驅(qū)動(dòng)器通訊，向各個(gè)伺服單元發(fā)送控制指令和位置給定指令，并實(shí)時(shí)獲得各個(gè)伺服電機(jī)的狀態(tài)信息，按照需要實(shí)時(shí)地對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行修改，各個(gè)伺服單元也可以通過(guò)CAN總線及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器在獲得自己的位置參考指令后，緊密的跟隨位置指令。由于控制器的位置指令直接輸入到各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，因此每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都獲得同步運(yùn)動(dòng)控制指令，不受其他因素影響，即任一伺服單元都不受其他伺服單元的擾動(dòng)影響。在這個(gè)系統(tǒng)中，控制器和各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成CAN控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，可以根據(jù)印刷規(guī)模，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖2 同步控制系統(tǒng)圖

編碼器和伺服電機(jī)的選擇
      在大慣量負(fù)載印刷系統(tǒng)中，編碼器和伺服系統(tǒng)的選擇尤為重要。以BF4250卷筒紙印刷機(jī)為例，其負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，其中柔印機(jī)組為0.13 kg·m2，膠印機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，為0.33 kg·m2。
      由于系統(tǒng)定位精度要求≤0.03mm，考慮到負(fù)載的大慣量性，把控制周期定為2ms，要求位置環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差為±1個(gè)脈沖。根據(jù)定位精度和穩(wěn)態(tài)誤差，可以折算出編碼器線數(shù)為17000線，可是考慮到在實(shí)際印刷過(guò)程中，要不斷調(diào)整不同機(jī)組的位置，如果編碼器分辨率選17000線，在調(diào)整印輥時(shí)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，將會(huì)產(chǎn)生很大的角加速度，進(jìn)而產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。例如對(duì)于膠印機(jī)組，調(diào)整角加速度超過(guò)700 rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩超過(guò)200N·m，一般的電機(jī)無(wú)法滿足要求。
      綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000線，這樣在調(diào)整過(guò)程中，減小了電機(jī)的調(diào)整加速度，進(jìn)而減小了調(diào)整轉(zhuǎn)矩。例如在負(fù)載慣量最大的膠印機(jī)組中，調(diào)整角加速度為78.6rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩為26 N·m，凱奇電氣公司的90M系列伺服電機(jī)完全可以滿足要求。

時(shí)鐘同步機(jī)制
      在分布式無(wú)軸傳動(dòng)同步控制系統(tǒng)中，需要各個(gè)印刷機(jī)組之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，所以各個(gè)機(jī)組必須要有統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，以保證各個(gè)印刷機(jī)組協(xié)調(diào)工作，完成印刷任務(wù)。
具體的時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)方法分為硬件時(shí)鐘同步，同步報(bào)文授時(shí)同步和協(xié)議授時(shí)同步。
      （1）硬件時(shí)鐘同步。硬件時(shí)鐘同步是指利用一定的硬件設(shè)施（如GPS接收機(jī)、UTC接收機(jī)、專(zhuān)用的時(shí)鐘信號(hào)線路等）進(jìn)行的局部時(shí)鐘之間的同步，操作對(duì)象是計(jì)算機(jī)的硬件時(shí)鐘。硬件同步可以獲得很高的同步精度（通常為10-9 秒至10-6秒）。
      （2）同步報(bào)文授時(shí)同步。在每個(gè)通訊周期開(kāi)始，主站以廣播形式發(fā)送一次同步報(bào)文。例如在SERCOS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸層中，每個(gè)SERCOS的通訊周期開(kāi)始都以主戰(zhàn)發(fā)送的同步報(bào)文MST為標(biāo)志。MST的數(shù)據(jù)域非常短，只占1個(gè)字節(jié)。MST報(bào)文的同步精度很高，如果用光纜做傳輸介質(zhì)，同步精度可在4微妙之內(nèi)。
      （3）協(xié)議授時(shí)同步。協(xié)議授時(shí)也叫軟件授時(shí)，指利用網(wǎng)絡(luò)將主時(shí)鐘源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)給其他的子系統(tǒng)，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步性。通過(guò)計(jì)算從發(fā)出主時(shí)鐘信息到發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接受該信息并產(chǎn)生中斷之間的時(shí)間差，可以得出延遲時(shí)間。然后通過(guò)延時(shí)補(bǔ)償來(lái)達(dá)到時(shí)間同步。軟件授時(shí)成本低，可由于同步信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)难舆t大且有很大的不確定性，所以授時(shí)精度低（通常為10-6秒到10-3秒）。
      綜合考慮，本文的時(shí)鐘同步方案采用的是硬件時(shí)鐘同步，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)中指定的主時(shí)鐘來(lái)調(diào)整它們的時(shí)鐘，具體實(shí)現(xiàn)方法是：添加硬件時(shí)鐘同步信號(hào)線CONCLK用來(lái)傳輸時(shí)間同步信號(hào)，同步控制信號(hào)周期為2ms，以同步信號(hào)的上升沿作為同步點(diǎn)。在控制器中設(shè)置同步信號(hào)發(fā)生器，并在各個(gè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)置同步接受單元。驅(qū)動(dòng)器從站的同步接受單元檢測(cè)到主戰(zhàn)的CONCLK上升沿后，各從站時(shí)鐘同時(shí)清零。這樣定期清零不僅保持了各從站時(shí)鐘的一致性，同時(shí)也避免了同步誤差的累計(jì)。為了提高模塊同步信號(hào)的抗干擾能力，采用平衡差分驅(qū)動(dòng)方式傳輸同步信號(hào)。使用光耦隔離，可以使主站和從站的信號(hào)互不干擾。主、從站同步信號(hào)電路如圖3。

圖3 主站、從站同步信號(hào)電路圖

上位機(jī)同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生
      同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生任務(wù)放在到北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的軟PLC -ComacPLC系統(tǒng)中。該公司的軟PLC系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)采用的是工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺(tái),操作系統(tǒng)采用的是微軟推出的WinCE嵌入式操作系統(tǒng)。在此軟PLC系統(tǒng)中，建立了快邏輯任務(wù)和慢邏輯任務(wù)，快邏輯用于對(duì)時(shí)間要求高的場(chǎng)合,如緊急情況處理,高精度采樣等情況，慢邏輯任務(wù)主要用于一般對(duì)時(shí)間要求不高的場(chǎng)合?？爝壿嬋蝿?wù)是一個(gè)需要定時(shí)執(zhí)行的任務(wù)（類(lèi)似于中斷服務(wù)程序），該任務(wù)必須在一個(gè)系統(tǒng)采樣周期內(nèi)執(zhí)行完成，慢邏輯任務(wù)是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，它可以在幾個(gè)系統(tǒng)采樣周期內(nèi)完成[2]?？爝壿嬋蝿?wù)通過(guò)定時(shí)控制器8254來(lái)完成定時(shí)，定時(shí)周期為1毫秒。在執(zhí)行過(guò)程中每一次采樣周期都執(zhí)行一次快邏輯任務(wù)，產(chǎn)生成同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。為了保持各個(gè)從動(dòng)軸相對(duì)于主軸的同步關(guān)系，建立運(yùn)動(dòng)參考數(shù)據(jù)源來(lái)虛擬主軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)系統(tǒng)采樣周期中，根據(jù)虛擬主軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及各個(gè)從動(dòng)軸的同步運(yùn)動(dòng)要求，分別計(jì)算各個(gè)從動(dòng)軸的位置信息，產(chǎn)生各個(gè)從動(dòng)軸的同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，放入CAN控制器的發(fā)送隊(duì)列等待發(fā)送，如圖4。把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生和運(yùn)算任務(wù)放在快邏輯任務(wù)中，保證產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

圖4 同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

同步接口技術(shù)協(xié)議
      本系統(tǒng)總線波特率設(shè)為1Mbps，位傳輸時(shí)間τbit為1×10-6秒。每個(gè)數(shù)據(jù)幀由8個(gè)字節(jié)組成，發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度固定為131位（29位標(biāo)識(shí)符），反饋報(bào)文長(zhǎng)度為99位。數(shù)據(jù)幀傳送時(shí)間Cm=131μs。把同步控制信號(hào)線CONCLK，作為同步周期信號(hào)線和報(bào)文的基準(zhǔn)信號(hào)線。同步控制信號(hào)周期為2ms，高電平有效，信號(hào)電平寬度為10。正常通訊時(shí)，一個(gè)控制周期內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)可以傳送16個(gè)同步數(shù)據(jù)報(bào)文?？刂破髟贑ONCLK 上跳沿之后50μs內(nèi)發(fā)出指令報(bào)文，驅(qū)動(dòng)器在接受到指令報(bào)文后100微秒內(nèi)發(fā)出反饋報(bào)文。指令報(bào)文內(nèi)容包括位置指令值、邏輯接口信號(hào)輸入，其中位置指令占用4個(gè)字節(jié)（32位），邏輯接口信號(hào)輸入占用一個(gè)字節(jié)。邏輯接口信號(hào)輸入包括驅(qū)動(dòng)器使能、復(fù)位等指令。在反饋報(bào)文中，包括伺服運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，通信時(shí)序如圖5。

圖5 通訊時(shí)序圖

結(jié)束語(yǔ)
      本文針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械長(zhǎng)軸印刷機(jī)同步控制系統(tǒng)，提出了以控制器為核心的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)在控制器和伺服之間的通信。此方案不僅克服了傳統(tǒng)機(jī)械長(zhǎng)軸控制方案的各種機(jī)械元件帶來(lái)的缺點(diǎn)，而且還具有同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
      這種方法實(shí)現(xiàn)同步的特點(diǎn)在于利用了CAN總線可靠性高、傳輸時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)，和數(shù)字伺服的位置精度高、全閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。

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