【導(dǎo)讀】隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)場總線技術(shù)不斷應(yīng)用到各個領(lǐng)域并得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對機(jī)組式印刷機(jī)械的同步需求,提出了一種基于CAN現(xiàn)場總線的同步控制解決方案,并得以驗(yàn)證。
在工控行業(yè)中,多電機(jī)的同步控制是一個非常重要的問題。今天我們就以印刷機(jī)械行業(yè)為例,來詳細(xì)說明一下!
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(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)械長軸作為動力源的同步控制方案,但機(jī)械長軸同步控制方案易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,各個機(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)場總線技術(shù)不斷應(yīng)用到各個領(lǐng)域并得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對機(jī)組式印刷機(jī)械的同步需求,提出了一種基于CAN現(xiàn)場總線的同步控制解決方案,并得以驗(yàn)證。
無軸傳動印刷機(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)的有軸傳動印刷機(jī)中,動力源由異步電機(jī)通過皮帶輪帶動一根機(jī)械長軸(約10-20m),然后通過長軸帶動各機(jī)組的齒輪、凸輪、連桿等傳動元件,再通過傳動元件帶動設(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,要求在各個機(jī)組定位精度≤0.03mm。在印刷機(jī)印刷過程中,要求各機(jī)組軸與機(jī)械長軸保持一定的同步運(yùn)動關(guān)系,能否很好的實(shí)現(xiàn)各個機(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)動關(guān)系,而復(fù)卷機(jī)組的運(yùn)動規(guī)律,要求隨著紙卷直徑的增大而減小。
我們把機(jī)械長軸作為主軸(參考軸),各印刷機(jī)組軸為從動軸,如圖1,各從動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···為從動軸位置轉(zhuǎn)角。
圖 1 主從軸同步關(guān)系
控制系統(tǒng)設(shè)計
考慮到印刷機(jī)中同步運(yùn)動關(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)線長等特點(diǎn),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(shí)現(xiàn)各個印刷機(jī)組的復(fù)雜同步關(guān)系,將主控制器和各個電機(jī)的伺服驅(qū)動器都掛接到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(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(shí)時獲得各個伺服電機(jī)的狀態(tài)信息,按照需要實(shí)時地對伺服參數(shù)進(jìn)行修改,各個伺服單元也可以通過CAN總線及時的進(jìn)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(yùn)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(luò)節(jié)點(diǎn),形成CAN控制網(wǎng)絡(luò)。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(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個數(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)動慣量很大,其中柔印機(jī)組為0.13 kg·m2,膠印機(jī)組轉(zhuǎn)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(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,由于機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量很大,將會產(chǎn)生很大的角加速度,進(jìn)而產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。例如對于膠印機(jī)組,調(diào)整角加速度超過700 rad/s2,調(diào)整轉(zhuǎn)矩超過200N·m,一般的電機(jī)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(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。
時鐘同步機(jī)制
在分布式無軸傳動同步控制系統(tǒng)中,需要各個印刷機(jī)組之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作,所以各個機(jī)組必須要有統(tǒng)一的時間系統(tǒng),以保證各個印刷機(jī)組協(xié)調(diào)工作,完成印刷任務(wù)。
具體的時鐘同步實(shí)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(shè)施(如GPS接收機(jī)、UTC接收機(jī)、專用的時鐘信號線路等)進(jìn)行的局部時鐘之間的同步,操作對象是計算機(jī)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(biāo)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(luò)將主時鐘源,通過網(wǎng)絡(luò),發(fā)給其他的子系統(tǒng),以達(dá)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(biāo)節(jié)點(diǎn)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(bǔ)償來達(dá)到時間同步。軟件授時成本低,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(diǎn)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(shí)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(diǎn)。在控制器中設(shè)置同步信號發(fā)生器,并在各個驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)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(jī)同步運(yùn)動數(shù)據(jù)的產(chǎn)生
同步運(yùn)動數(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(jī)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(wù)和慢邏輯任務(wù),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(wù)主要用于一般對時間要求不高的場合。
快邏輯任務(wù)是一個需要定時執(zhí)行的任務(wù)(類似于中斷服務(wù)程序),該任務(wù)必須在一個系統(tǒng)采樣周期內(nèi)執(zhí)行完成,慢邏輯任務(wù)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?wù)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(wù),產(chǎn)生成同步運(yùn)動數(shù)據(jù)。
為了保持各個從動軸相對于主軸的同步關(guān)系,建立運(yùn)動參考數(shù)據(jù)源來虛擬主軸運(yùn)動狀態(tài)。在每個系統(tǒng)采樣周期中,根據(jù)虛擬主軸的運(yùn)動狀態(tài),以及各個從動軸的同步運(yùn)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(yùn)動數(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)動數(shù)據(jù)的實(shí)時性。
圖4 同步運(yùn)動數(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(biāo)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(zhǔn)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(luò)可以傳送16個同步數(shù)據(jù)報文。
控制器在CONCLK 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(fù)位等指令。在反饋報文中,包括伺服運(yùn)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
本文針對傳統(tǒng)的機(jī)械長軸印刷機(jī)同步控制系統(tǒng),提出了以控制器為核心的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),以CAN現(xiàn)場總線實(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)械長軸控制方案的各種機(jī)械元件帶來的缺點(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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