實現多伺服電機的同步控制

        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振蕩現象，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，現場總線技術不斷應用到各個領域并得到了廣泛的應用。東莞電機在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，印刷生產線長等特點，采用全分散、全數字、全開放的現場總線控制系統(tǒng)FCS，總線的選擇選用CAN總線。

        東莞電機為了實現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現場總線系統(tǒng)，如圖2。

        控制器和伺服驅動器都配有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進行修改，各個伺服單元也可以通過CAN總線及時的進行數據交換。

        各個伺服驅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動器，因此每個伺服驅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動器都作為一個網絡節(jié)點，形成CAN控制網絡。同時，由于采用現場總線控制系統(tǒng)，可以根據印刷規(guī)模，擴展網絡節(jié)點個數。

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。根據定位精度和穩(wěn)態(tài)誤差，可以折算出編碼器線數為17000線，可是考慮到在實際印刷過程中，要不斷調整不同機組的位置，如果編碼器分辨率選17000線，在調整印輥時，由于機組轉動慣量很大，將會產生很大的角加速度，進而產生很大的轉矩。例如對于膠印機組，調整角加速度超過700 rad/s2，調整轉矩超過200N·m，一般的電機無法滿足要求。

        東莞電機綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000線，這樣在調整過程中，減小了電機的調整加速度，進而減小了調整轉矩。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)調工作，完成印刷任務。

        具體的時鐘同步實現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)議數據傳輸層中，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的數據域非常短，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，同步精度可在4微妙之內。

        （3）協(xié)議授時同步。協(xié)議授時也叫軟件授時，指利用網絡將主時鐘源，通過網絡，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絡上傳輸的延遲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）。

        東莞電機綜合考慮，本文的時鐘同步方案采用的是硬件時鐘同步，各節(jié)點根據系統(tǒng)中指定的主時鐘來調整它們的時鐘，具體實現方法是：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，并在各個驅動器內部設置同步接受單元。驅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

上位機同步運動數據的產生

        同步運動數據的產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。

        快邏輯任務是一個需要定時執(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)采樣周期內完成[2]。

        快邏輯任務通過定時控制器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，產生成同步運動數據。為了保持各個從動軸相對于主軸的同步關系，建立運動參考數據源來虛擬主軸運動狀態(tài)。

        在每個系統(tǒng)采樣周期中，根據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，產生各個從動軸的同步運動數據，放入CAN控制器的發(fā)送隊列等待發(fā)送，如圖4。把運動數據產生和運算任務放在快邏輯任務中，保證產生運動數據的實時性。

圖4 同步運動數據的產生

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。每個數據幀由8個字節(jié)組成，發(fā)送報文數據幀長度固定為131位（29位標識符），反饋報文長度為99位。數據幀傳送時間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CAN網絡可以傳送16個同步數據報文?？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

        東莞電機在本文針對傳統(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場總線控制系統(tǒng)，以CAN現場總線實現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，和數字伺服的位置精度高、全閉環(huán)的優(yōu)點。