如何實(shí)現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現場(chǎng)總線(xiàn)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(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)電機位置轉差率很高（一般≤0.02%）。在傳統的印刷機械中，以往大都采用以機械長(cháng)軸作為動(dòng)力源的同步控制方案，但機械長(cháng)軸同步控制方案易出現振蕩現象，各個(gè)機組互相干擾，而且系統中有許多機械零件，不方便系統維護和使用。隨著(zhù)機電一體化技術(shù)的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)不斷應用到各個(gè)領(lǐng)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現場(chǎng)總線(xiàn)的同步控制解決方案，并得以驗證。
無(wú)軸傳動(dòng)印刷機控制系統的同步需求
      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。在傳統的有軸傳動(dòng)印刷機中，動(dòng)力源由異步電機通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)一根機械長(cháng)軸（約10-20m），然后通過(guò)長(cháng)軸帶動(dòng)各機組的齒輪、凸輪、連桿等傳動(dòng)元件，再通過(guò)傳動(dòng)元件帶動(dòng)設備的執行元件完成設備的輸人、輸出任務(wù)。
      卷筒印刷機要求印刷速度為300m/min，套印精度≤0.03mm，為了滿(mǎn)足套印精度，要求在各個(gè)機組定位精度≤0.03mm。在印刷機印刷過(guò)程中，要求各機組軸與機械長(cháng)軸保持一定的同步運動(dòng)關(guān)系，能否很好的實(shí)現各個(gè)機組軸的同步關(guān)系，將直接影響到印刷速度、套印精度等。其中，給紙機組、印刷機組要求與主軸轉動(dòng)速度成一定的比例關(guān)系，張力機組根據不同的印刷速度調整張力系數，加工機組需要與主軸保持凸輪運動(dòng)關(guān)系，而復卷機組的運動(dòng)規律，要求隨著(zhù)紙卷直徑的增大而減小。
      我們把機械長(cháng)軸作為主軸（參考軸），各印刷機組軸為從動(dòng)軸，如圖1，各從動(dòng)軸與主軸要滿(mǎn)足同步關(guān)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(dòng)軸位置轉角。

圖 1 主從軸同步關(guān)系

控制系統設計
      考慮到印刷機中同步運動(dòng)關(guān)系復雜，套印精度高、印刷機組點(diǎn)多、分散，多操作子站，印刷生產(chǎn)線(xiàn)長(cháng)等特點(diǎn)，采用全分散、全數字、全開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS，總線(xiàn)的選擇選用CAN總線(xiàn)。
      為了實(shí)現各個(gè)印刷機組的復雜同步關(guān)系，將主控制器和各個(gè)電機的伺服驅動(dòng)器都掛接到CAN總線(xiàn)上，構成以印刷機控制器為核心的CAN現場(chǎng)總線(xiàn)系統，如圖2。
      控制器和伺服驅動(dòng)器都配有CAN總線(xiàn)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)伺服電機的狀態(tài)信息，按照需要實(shí)時(shí)地對伺服參數進(jìn)行修改，各個(gè)伺服單元也可以通過(guò)CAN總線(xiàn)及時(shí)的進(jìn)行數據交換。各個(gè)伺服驅動(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)伺服驅動(dòng)器，因此每個(gè)伺服驅動(dòng)器都獲得同步運動(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)系統中，控制器和各個(gè)伺服驅動(dòng)器都作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，形成CAN控制網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)，由于采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，可以根據印刷規模，擴展網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)個(gè)數。

圖2 同步控制系統圖

編碼器和伺服電機的選擇
      在大慣量負載印刷系統中，編碼器和伺服系統的選擇尤為重要。以BF4250卷筒紙印刷機為例，其負載轉動(dòng)慣量很大，其中柔印機組為0.13 kg·m2，膠印機組轉動(dòng)慣量最大，為0.33 kg·m2。
      由于系統定位精度要求≤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)穩態(tài)誤差為±1個(gè)脈沖。根據定位精度和穩態(tài)誤差，可以折算出編碼器線(xiàn)數為17000線(xiàn)，可是考慮到在實(shí)際印刷過(guò)程中，要不斷調整不同機組的位置，如果編碼器分辨率選17000線(xiàn)，在調整印輥時(shí)，由于機組轉動(dòng)慣量很大，將會(huì )產(chǎn)生很大的角加速度，進(jìn)而產(chǎn)生很大的轉矩。例如對于膠印機組，調整角加速度超過(guò)700 rad/s2，調整轉矩超過(guò)200N·m，一般的電機無(wú)法滿(mǎn)足要求。
      綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000線(xiàn)，這樣在調整過(guò)程中，減小了電機的調整加速度，進(jìn)而減小了調整轉矩。例如在負載慣量最大的膠印機組中，調整角加速度為78.6rad/s2，調整轉矩為26 N·m，凱奇電氣公司的90M系列伺服電機完全可以滿(mǎn)足要求。

時(shí)鐘同步機制
      在分布式無(wú)軸傳動(dòng)同步控制系統中，需要各個(gè)印刷機組之間統一協(xié)調地工作，所以各個(gè)機組必須要有統一的時(shí)間系統，以保證各個(gè)印刷機組協(xié)調工作，完成印刷任務(wù)。
具體的時(shí)鐘同步實(shí)現方法分為硬件時(shí)鐘同步，同步報文授時(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施（如GPS接收機、UTC接收機、專(zhuān)用的時(shí)鐘信號線(xiàn)路等）進(jìn)行的局部時(shí)鐘之間的同步，操作對象是計算機的硬件時(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)送一次同步報文。例如在SERCOS協(xié)議數據傳輸層中，每個(gè)SERCOS的通訊周期開(kāi)始都以主戰發(fā)送的同步報文MST為標志。MST的數據域非常短，只占1個(gè)字節。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。
      （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，以達到整個(gè)系統的時(shí)間同步性。通過(guò)計算從發(fā)出主時(shí)鐘信息到發(fā)送到目標節點(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)補償來(lái)達到時(shí)間同步。軟件授時(shí)成本低，可由于同步信息在網(wǎng)絡(luò )上傳輸的延遲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，各節點(diǎn)根據系統中指定的主時(shí)鐘來(lái)調整它們的時(shí)鐘，具體實(shí)現方法是：添加硬件時(shí)鐘同步信號線(xiàn)CONCLK用來(lái)傳輸時(shí)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(diǎn)。在控制器中設置同步信號發(fā)生器，并在各個(gè)驅動(dòng)器內部設置同步接受單元。驅動(dòng)器從站的同步接受單元檢測到主戰的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。為了提高模塊同步信號的抗干擾能力，采用平衡差分驅動(dòng)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(dòng)數據的產(chǎn)生
      同步運動(dòng)數據的產(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系統中。該公司的軟PLC系統，硬件系統采用的是工業(yè)計算機平臺,操作系統采用的是微軟推出的WinCE嵌入式操作系統。在此軟PLC系統中，建立了快邏輯任務(wù)和慢邏輯任務(wù)，快邏輯用于對時(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)系統采樣周期內執行完成，慢邏輯任務(wù)是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，它可以在幾個(gè)系統采樣周期內完成[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。在執行過(guò)程中每一次采樣周期都執行一次快邏輯任務(wù)，產(chǎn)生成同步運動(dòng)數據。為了保持各個(gè)從動(dòng)軸相對于主軸的同步關(guān)系，建立運動(dòng)參考數據源來(lái)虛擬主軸運動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)系統采樣周期中，根據虛擬主軸的運動(dòng)狀態(tài)，以及各個(gè)從動(dòng)軸的同步運動(dòng)要求，分別計算各個(gè)從動(dòng)軸的位置信息，產(chǎn)生各個(gè)從動(dòng)軸的同步運動(dòng)數據，放入CAN控制器的發(fā)送隊列等待發(fā)送，如圖4。把運動(dòng)數據產(chǎn)生和運算任務(wù)放在快邏輯任務(wù)中，保證產(chǎn)生運動(dòng)數據的實(shí)時(shí)性。

圖4 同步運動(dòng)數據的產(chǎn)生

同步接口技術(shù)協(xié)議
      本系統總線(xiàn)波特率設為1Mbps，位傳輸時(shí)間τbit為1×10-6秒。每個(gè)數據幀由8個(gè)字節組成，發(fā)送報文數據幀長(cháng)度固定為131位（29位標識符），反饋報文長(cháng)度為99位。數據幀傳送時(shí)間Cm=131μs。把同步控制信號線(xiàn)CONCLK，作為同步周期信號線(xiàn)和報文的基準信號線(xiàn)。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(shí)，一個(gè)控制周期內CAN網(wǎng)絡(luò )可以傳送16個(gè)同步數據報文?？刂破髟贑ONCLK 上跳沿之后50μs內發(fā)出指令報文，驅動(dòng)器在接受到指令報文后100微秒內發(fā)出反饋報文。指令報文內容包括位置指令值、邏輯接口信號輸入，其中位置指令占用4個(gè)字節（32位），邏輯接口信號輸入占用一個(gè)字節。邏輯接口信號輸入包括驅動(dòng)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(shí)序如圖5。

圖5 通訊時(shí)序圖

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

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