如何實現(xiàn)多伺服電機同步控制？

      本文針對機組式印刷機械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場總線的同步控制解決方案，并得以驗證。
      在印刷機械行業(yè)中，多電機的同步控制是一個非常重要的問題。由于印刷產(chǎn)品的特殊工藝要求，尤其是對于多色印刷，為了保證印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各個電機位置轉差率很高（一般≤0.02%）。在傳統(tǒng)的印刷機械中，以往大都采用以機械長軸作為動力源的同步控制方案，但機械長軸同步控制方案易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，各個機組互相干擾，而且系統(tǒng)中有許多機械零件，不方便系統(tǒng)維護和使用。隨著機電一體化技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術不斷應用到各個領域并得到了廣泛的應用。本文針對機組式印刷機械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場總線的同步控制解決方案，并得以驗證。
無軸傳動印刷機控制系統(tǒng)的同步需求
      機組式卷筒印刷機一般由給紙機組、印刷機組、張力機組、加工機組和復卷機組等機組組成。在傳統(tǒng)的有軸傳動印刷機中，動力源由異步電機通過皮帶輪帶動一根機械長軸（約10-20m），然后通過長軸帶動各機組的齒輪、凸輪、連桿等傳動元件，再通過傳動元件帶動設備的執(zhí)行元件完成設備的輸人、輸出任務。
      卷筒印刷機要求印刷速度為300m/min，套印精度≤0.03mm，為了滿足套印精度，要求在各個機組定位精度≤0.03mm。在印刷機印刷過程中，要求各機組軸與機械長軸保持一定的同步運動關系，能否很好的實現(xiàn)各個機組軸的同步關系，將直接影響到印刷速度、套印精度等。其中，給紙機組、印刷機組要求與主軸轉動速度成一定的比例關系，張力機組根據(jù)不同的印刷速度調(diào)整張力系數(shù)，加工機組需要與主軸保持凸輪運動關系，而復卷機組的運動規(guī)律，要求隨著紙卷直徑的增大而減小。
      我們把機械長軸作為主軸（參考軸），各印刷機組軸為從動軸，如圖1，各從動軸與主軸要滿足同步關系θ1=f1（θ） ，θ2=f2（θ） ，θ3=f3（θ） ··· ，其中，θ為主軸位置轉角，θ1、θ2、θ3···為從動軸位置轉角。

圖 1 主從軸同步關系

控制系統(tǒng)設計
      考慮到印刷機中同步運動關系復雜，套印精度高、印刷機組點多、分散，多操作子站，印刷生產(chǎn)線長等特點，采用全分散、全數(shù)字、全開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS，總線的選擇選用CAN總線。
      為了實現(xiàn)各個印刷機組的復雜同步關系，將主控制器和各個電機的伺服驅(qū)動器都掛接到CAN總線上，構成以印刷機控制器為核心的CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)，如圖2。
      控制器和伺服驅(qū)動器都配有CAN總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的通訊適配卡，通過連接在印刷機控制器上的CAN通訊適配卡，控制器可以方便、快速的與各伺服驅(qū)動器通訊，向各個伺服單元發(fā)送控制指令和位置給定指令，并實時獲得各個伺服電機的狀態(tài)信息，按照需要實時地對伺服參數(shù)進行修改，各個伺服單元也可以通過CAN總線及時的進行數(shù)據(jù)交換。各個伺服驅(qū)動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伺服驅(qū)動器，因此每個伺服驅(qū)動器都獲得同步運動控制指令，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影響。在這個系統(tǒng)中，控制器和各個伺服驅(qū)動器都作為一個網(wǎng)絡節(jié)點，形成CAN控制網(wǎng)絡。同時，由于采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，可以根據(jù)印刷規(guī)模，擴展網(wǎng)絡節(jié)點個數(shù)。

圖2 同步控制系統(tǒng)圖

編碼器和伺服電機的選擇
      在大慣量負載印刷系統(tǒng)中，編碼器和伺服系統(tǒng)的選擇尤為重要。以BF4250卷筒紙印刷機為例，其負載轉動慣量很大，其中柔印機組為0.13 kg·m2，膠印機組轉動慣量最大，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，可是考慮到在實際印刷過程中，要不斷調(diào)整不同機組的位置，如果編碼器分辨率選17000線，在調(diào)整印輥時，由于機組轉動慣量很大，將會產(chǎn)生很大的角加速度，進而產(chǎn)生很大的轉矩。例如對于膠印機組，調(diào)整角加速度超過700 rad/s2，調(diào)整轉矩超過200N·m，一般的電機無法滿足要求。
      綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000線，這樣在調(diào)整過程中，減小了電機的調(diào)整加速度，進而減小了調(diào)整轉矩。例如在負載慣量最大的膠印機組中，調(diào)整角加速度為78.6rad/s2，調(diào)整轉矩為26 N·m，凱奇電氣公司的90M系列伺服電機完全可以滿足要求。

時鐘同步機制
      在分布式無軸傳動同步控制系統(tǒng)中，需要各個印刷機組之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，所以各個機組必須要有統(tǒng)一的時間系統(tǒng)，以保證各個印刷機組協(xié)調(diào)工作，完成印刷任務。
具體的時鐘同步實現(xiàn)方法分為硬件時鐘同步，同步報文授時同步和協(xié)議授時同步。
      （1）硬件時鐘同步。硬件時鐘同步是指利用一定的硬件設施（如GPS接收機、UTC接收機、專用的時鐘信號線路等）進行的局部時鐘之間的同步，操作對象是計算機的硬件時鐘。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）同步報文授時同步。在每個通訊周期開始，主站以廣播形式發(fā)送一次同步報文。例如在SERCOS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸層中，每個SERCOS的通訊周期開始都以主戰(zhàn)發(fā)送的同步報文MST為標志。MST的數(shù)據(jù)域非常短，只占1個字節(jié)。MST報文的同步精度很高，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)議授時同步。協(xié)議授時也叫軟件授時，指利用網(wǎng)絡將主時鐘源，通過網(wǎng)絡，發(fā)給其他的子系統(tǒng)，以達到整個系統(tǒng)的時間同步性。通過計算從發(fā)出主時鐘信息到發(fā)送到目標節(jié)點接受該信息并產(chǎn)生中斷之間的時間差，可以得出延遲時間。然后通過延時補償來達到時間同步。軟件授時成本低，可由于同步信息在網(wǎng)絡上傳輸?shù)难舆t大且有很大的不確定性，所以授時精度低（通常為10-6秒到10-3秒）。
      綜合考慮，本文的時鐘同步方案采用的是硬件時鐘同步，各節(jié)點根據(jù)系統(tǒng)中指定的主時鐘來調(diào)整它們的時鐘，具體實現(xiàn)方法是：添加硬件時鐘同步信號線CONCLK用來傳輸時間同步信號，同步控制信號周期為2ms，以同步信號的上升沿作為同步點。在控制器中設置同步信號發(fā)生器，并在各個驅(qū)動器內(nèi)部設置同步接受單元。驅(qū)動器從站的同步接受單元檢測到主戰(zhàn)的CONCLK上升沿后，各從站時鐘同時清零。這樣定期清零不僅保持了各從站時鐘的一致性，同時也避免了同步誤差的累計。為了提高模塊同步信號的抗干擾能力，采用平衡差分驅(qū)動方式傳輸同步信號。使用光耦隔離，可以使主站和從站的信號互不干擾。主、從站同步信號電路如圖3。

圖3 主站、從站同步信號電路圖

上位機同步運動數(shù)據(jù)的產(chǎn)生
      同步運動數(shù)據(jù)的產(chǎn)生任務放在到北京首科凱奇電氣技術有限公司開發(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)計算機平臺,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，建立了快邏輯任務和慢邏輯任務，快邏輯用于對時間要求高的場合,如緊急情況處理,高精度采樣等情況，慢邏輯任務主要用于一般對時間要求不高的場合?？爝壿嬋蝿帐且粋€需要定時執(zhí)行的任務（類似于中斷服務程序），該任務必須在一個系統(tǒng)采樣周期內(nèi)執(zhí)行完成，慢邏輯任務是一個無限循環(huán)，它可以在幾個系統(tǒng)采樣周期內(nèi)完成[2]?？爝壿嬋蝿胀ㄟ^定時控制器8254來完成定時，定時周期為1毫秒。在執(zhí)行過程中每一次采樣周期都執(zhí)行一次快邏輯任務，產(chǎn)生成同步運動數(shù)據(jù)。為了保持各個從動軸相對于主軸的同步關系，建立運動參考數(shù)據(jù)源來虛擬主軸運動狀態(tài)。在每個系統(tǒng)采樣周期中，根據(jù)虛擬主軸的運動狀態(tài)，以及各個從動軸的同步運動要求，分別計算各個從動軸的位置信息，產(chǎn)生各個從動軸的同步運動數(shù)據(jù)，放入CAN控制器的發(fā)送隊列等待發(fā)送，如圖4。把運動數(shù)據(jù)產(chǎn)生和運算任務放在快邏輯任務中，保證產(chǎn)生運動數(shù)據(jù)的實時性。

圖4 同步運動數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

同步接口技術協(xié)議
      本系統(tǒng)總線波特率設為1Mbps，位傳輸時間τbit為1×10-6秒。每個數(shù)據(jù)幀由8個字節(jié)組成，發(fā)送報文數(shù)據(jù)幀長度固定為131位（29位標識符），反饋報文長度為99位。數(shù)據(jù)幀傳送時間Cm=131μs。把同步控制信號線CONCLK，作為同步周期信號線和報文的基準信號線。同步控制信號周期為2ms，高電平有效，信號電平寬度為10。正常通訊時，一個控制周期內(nèi)CAN網(wǎng)絡可以傳送16個同步數(shù)據(jù)報文?？刂破髟贑ONCLK 上跳沿之后50μs內(nèi)發(fā)出指令報文，驅(qū)動器在接受到指令報文后100微秒內(nèi)發(fā)出反饋報文。指令報文內(nèi)容包括位置指令值、邏輯接口信號輸入，其中位置指令占用4個字節(jié)（32位），邏輯接口信號輸入占用一個字節(jié)。邏輯接口信號輸入包括驅(qū)動器使能、復位等指令。在反饋報文中，包括伺服運行狀態(tài)信息和故障信息，通信時序如圖5。

圖5 通訊時序圖

結束語
      本文針對傳統(tǒng)的機械長軸印刷機同步控制系統(tǒng)，提出了以控制器為核心的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，以CAN現(xiàn)場總線實現(xiàn)在控制器和伺服之間的通信。此方案不僅克服了傳統(tǒng)機械長軸控制方案的各種機械元件帶來的缺點，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、維護方便等優(yōu)點。
      這種方法實現(xiàn)同步的特點在于利用了CAN總線可靠性高、傳輸時間短、抗干擾能力強，和數(shù)字伺服的位置精度高、全閉環(huán)的優(yōu)點。

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