基于CAN總線(xiàn)的多伺服電機(jī)同步控制

　　0引言

　　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≤0.05 mm)，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(xiàn)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(xiàn)的同步控制解決方案，并得以驗(yàn)證。

　　1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10～20 m)，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)備的輸入、輸出任務(wù)。

　　卷筒印刷機(jī)要求印刷速度為300 m/min，套印精度≤0.03 mm，為了滿(mǎn)足套印精度，要求在各個(gè)機(jī)組定位精度≤0.03 mm.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(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(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

　　2同步控制系統(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(xiàn)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(xiàn)控制系統(tǒng)FCS，總線(xiàn)的選擇選用CAN總線(xiàn)。

　　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(xiàn)上，構(gòu)成以印刷機(jī)控制器為核心的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)，如圖2.

　　圖2同步控制系統(tǒng)圖

　　控制器和伺服驅(qū)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(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(xiàn)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(xiàn)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)。

　　3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≤0.03 mm，考慮到負(fù)載的大慣量性，把控制周期定為2 ms，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(xiàn)數(shù)為17000線(xiàn)，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(xiàn)，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)200 N?m，一般的電機(jī)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(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78.6 rad/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(mǎn)足要求。

　　4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(xiàn)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)。