工業(yè)控制之伺服系統精選開發(fā)資料
伺服系統的特點、分類及發(fā)展方向
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/368472.htm伺服電機(servomotor)是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動機,是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度,位置精度非常準確,可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制,并能快速反應,在自動控制系統中,用作執(zhí)行元件,且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性,可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類,其主要特點是,當信號電壓為零時無自轉現象,轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。
數控機床伺服系統的作用在于接受來自數控裝置的指令信號,驅動機床移動部件跟隨指令脈沖運動,并保證動作的快速和準確,這就要求高質量的速度和位置伺服。以上指的主要是進給伺服控制,另外還有對主運動的伺服控制,不過控制要求不如前者高。數控機床的精度和速度等技術指標往往主要取決于伺服系統。
一、伺服系統的基本要求和特點
1.對伺服系統的基本要求
?。?)穩(wěn)定性好:穩(wěn)定是指系統在給定輸入或外界干擾作用下,能在短暫的調節(jié)過程后到達新的或者回復到原有平衡狀態(tài)。
?。?)精度高:伺服系統的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數控機床,要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高,允許的偏差一般都在0.01~0.00lmm之間。
?。?)快速響應性好:快速響應性是伺服系統動態(tài)品質的標志之一,即要求跟蹤指令信號的響應要快,一方面要求過渡過程時間短,一般在200ms($1.2528)以內,甚至小于幾十毫秒;另一方面,為滿足超調要求,要求過渡過程的前沿陡,即上升率要大。
2、伺服系統的主要特點
(1)精確的檢測裝置:以組成速度和位置閉環(huán)控制。
?。?)有多種反饋比較原理與方法:根據檢測裝置實現信息反饋的原理不同,伺服系統反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。
?。?)高性能的伺服電動機(簡稱伺服電機):用于高效和復雜型面加工的數控機床,伺服系統將經常處于頻繁的啟動和制動過程中。要求電機的輸出力矩與轉動慣量的比值大,以產生足夠大的加速或制動力矩。要求伺服電機在低速時有足夠大的輸出力矩且運轉平穩(wěn),以便在與機械運動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。
?。?)寬調速范圍的速度調節(jié)系統,即速度伺服系統:從系統的控制結構看,數控機床的位置閉環(huán)系統可看作是位置調節(jié)為外環(huán)、速度調節(jié)為內環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統,其內部的實際工作過程是把位置控制輸入轉換成相應的速度給定信號后,再通過調速系統驅動伺服電機,實現實際位移。數控機床的主運動要求調速性能也比較高,因此要求伺服系統為高性能的寬調速系統。
二、伺服系統的分類
伺服系統按其驅動元件劃分,有步進式伺服系統、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統、交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統。按控制方式劃分,有開環(huán)伺服系統、閉環(huán)伺服系統和半閉環(huán)伺服系統等,實際上數控系統也分成開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)3種類型,就是與伺服系統這3種方式相關。
1、開環(huán)系統
開環(huán)系統,它主要由驅動電路,執(zhí)行元件和機床3大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進電機,通常稱以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統為步進式伺服系統,在這種系統中,如果是大功率驅動時,用步進電機作為執(zhí)行元件。驅動電路的主要任務是將指令脈沖轉化為驅動執(zhí)行元件所需的信號。
2、閉環(huán)系統
閉環(huán)系統主要由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅動電路和機床5部分組成。其構成框圖如圖2所示。在閉環(huán)系統中,檢測元件將機床移動部件的實際位置檢測出來并轉換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統稱為半閉環(huán)系統;把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統稱為閉環(huán)系統。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在,半閉環(huán)伺服系統的精度要比閉環(huán)伺服系統的精度低一些。
比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進行比較,兩者的差值作為伺服系統的跟隨誤差,經驅動電路,控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動,直到跟隨誤差為零。根據進入比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式,閉環(huán)(半閉環(huán))系統可分為脈沖比較伺服系統、相位比較伺服系統和幅值比較伺服系統3種。
由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號比較微弱,不足以驅動執(zhí)行元件,故需對其進行放大,驅動電路正是為此而設置的。
執(zhí)行元件的作用是根據控制信號,即來自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號,將表示位移量的電信號轉化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調速電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統中必不可少的一部分,驅動電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。
最近,我校研制開發(fā)出了高性能交流伺服(數控機床)控制系統。該系統性能穩(wěn)定,質量可靠,可廣泛應用于數碼雕刻,包裝機械,模具生產等工業(yè)生產應用場合,更適用于高等學校機電一體化,電子電器,電氣自動化專業(yè)學生(研究生)生產實習,課程設計等課程的實驗研究。
三、伺服系統的發(fā)展方向
隨著生產力不斷發(fā)展,要求伺服系統向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。
?。?)充分利用迅速發(fā)展的電子和計算機技術,采用數字式伺服系統,利用微機實現調節(jié)控制,增強軟件控制功能,排除模擬電路的非線性誤差和調整誤差以及溫度漂移等因素的影響,這可大大提高伺服系統的性能,并為實現最優(yōu)控制、自適應控制創(chuàng)造條件。
?。?)開發(fā)高精度、快速檢測元件。
?。?)開發(fā)高性能的伺服電機(執(zhí)行元件)。目前交流伺服電機的變速比已達1∶10000($0.1000),使用日益增多。無刷電機因無電刷和換向片零部件,加速性能要比直流伺服電機高兩倍,維護也較方便,常用于高速數控機床。
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接下來為大家介紹在工業(yè)中伺服系統的幾種設計方案,以供參考。
基于MSP430($2.0250)的變頻伺服系統設計
近年來,伺服系統的發(fā)展始終以穩(wěn)定性、響應性與精度為發(fā)展主軸,這也是用戶在使用過程中最為看重的幾大因素。在機床伺服系統、機器人控制系統、雷達天線控制系統等場合大都由直流伺服電機和直流伺服控制器來完成控制。在這些控制領域中,主要以負載的位置或角度等為控制對象的伺服控制系統。隨著變頻器技術的高速發(fā)展,在伺服系統中交流變頻傳動因其功率因數高、反應速度快、精度高、適合在惡劣環(huán)境中使用等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用。本文提出一種基于高性能單片機MSP430($2.0250)F149、變頻器、變頻電機組成的數字式變頻伺服系統,并將數字PID算法引入到此系統中,使系統獲得了良好的系統靜、動態(tài)性能。
1變頻伺服系統的功能
為達到變頻伺服系統的運行可靠、良好的靜態(tài)以及動態(tài)的性能要求,其功能如下:
1)精確的伺服控制功能
高精度、高速度、大功率是伺服系統的發(fā)展趨勢,系統采用高速單片機作為核心控制器,對變頻器進行控制,使伺服系統的控制達到更高的精度。
2)通信功能
單片機與上位機之間必須確保通信的正常與正確,單片機將接收到來自上位機的控制命令與采樣到的反饋信號相比較得到偏移控制量,只有得到相應的偏移量,單片機才對變頻器輸出相應控制信號。
3)反饋量精確采集功能
反饋量采集的精確度直接關系到控制精度,系統采用變M/T方法對伺服電機進行轉速采樣,采樣精度較M法、T法更加精確,從而確保了更加精確的控制。
2系統硬件設計
系統以單片機MSP430($2.0250)F149為核心控制器[2],集成變頻器、變頻電機、采樣編碼器以及PC上位機組成。其系統原理框圖如圖1所示。
圖1 系統框圖
其控制過程為:單片機MSP430($2.0250)F149控制協調系統各功能模塊工作;PC上位機通過串口UART0將控制信號傳輸給MSP430($2.0250)F149,單片機通過對反饋信號采樣后進行處理,將處理后的數據與來自上位機的控制信號相互比較,得到誤差量,再將誤差量經過相應的運算得到伺服系統控制量;MSP430($2.0250)F149將得到控制量通過串口UART1直接轉換成RS485($49.9800)信號輸出至變頻器,變頻器根據接收到的控制信號產生變頻變壓的電源信號以驅動電機完成期望動作;同時上位機通過MSP430($2.0250)F149的串口UART0獲取變頻電機的速度、系統參數等形成打印報表,為操作人員良好人機操作界面。
2.1單片機單元
MSP430($2.0250)F149是變頻交流伺服系統的核心控制器,完成系統控制信號與測量信號的傳遞及復雜的控制決策,協調各模塊進行工作,操作控制指令的接收與識別。此單片機是一種超低功耗微控器,采用16位的體系結構,16位的CPU集成寄存器和常數發(fā)生器,實現了最大化的代碼效率。包括2個內置16 位的定時器、一個快速12位A/D轉換器,兩個通用串行同步異步通訊接口和48個I/O端口,片內包含60KFLASHROM和2KBRAM。本設計是實時控制系統,需對數據進行實時采集和傳輸。MSP430($2.0250)F149中60KFLASH存儲器可滿足系統程序對燒錄存儲空間的需要,內部數據RAM(2K)保證了數據實時采集、處理和傳輸,48個數字外設端口方便地實現了與外圍器件的數據傳輸與控制,16位的體系結構保證了系統能夠完成復雜的控制決策,而雙串口UART則滿足了控制器與上位機及變頻器的實時通信需要。
2.2光電編碼器及變M/T測速MSP430($2.0250)F149內部實現
伺服系統的精度控制主要取決于電機轉速信號的測量精度,本系統采用增量式光電編碼器作為電機轉速為檢測元件。比較常見的電編碼器測速方法有M 法、T法和M/T法。M法是在規(guī)定時間間隔內,測量光電編碼器輸出的脈沖數量來獲得被測電機轉速的速度值,適合高速測量場合。T法測量是測量相鄰兩個脈沖間隔時間來確定被測電機的轉速速度的方法,此方法在高速場合測量時精確度性較差,因此一般只適用于低速測量的場合。M/T法是通過同時測量檢測時間和在此檢測時間內所發(fā)生的脈沖數來確定轉速。在整個速度范圍內有著較好的測速精度,但在低速時隨著頻率的降低,需要較長的測量時間,無法滿足伺服系統的快速動態(tài)響應性能指標[2]。近年來變M/T測速方法逐漸被使用,是指在測速過程中,不僅檢測光電編碼器脈沖M1和高頻時鐘脈沖M2隨電機轉速不同而變化,而且檢測時間Tg也在變化,它始終等于光電編碼器M1個脈沖周期之和(測速原理如圖2所示)。Tg的大小由高頻時鐘脈沖M2計取,則電機速度計可由以下公式確定 [3]。
式中:M1為預置脈沖數;M2為高頻時鐘脈沖數;fc為高頻時鐘頻率;λ為光電編碼器倍頻系數;P為光電編碼器線數。
圖2 變M/T法測速原理
在電機低速運行時變M/T法的檢測時間Tg明顯比M/T法檢測時間要短,由此可見用變M/T法轉速測量能夠滿足控制系統對轉速測量的精度及實時性的要求。
利用MSP430($2.0250)F149內部定時器A和B可以完成對電機轉速的變M/T法的測量,可以簡化外圍電路的設計,減小了系統功耗。定時器A對外部光電編碼器脈沖進行計數,定時器B對系統內部高頻時鐘進行計數;定時器A工作于16位計數方式,將測量值M1裝入定時器A的寄存器內,在定時器A計數達到 M1個脈沖時,定時器產生中斷,程序讀取定時器B的計數值M2,由于M1已知依據式(1)可快速而準確計算出電機轉速。
2.3變頻器
變頻器是整個伺服系統的主要執(zhí)行元件。其工作原理是:在主電路中采用交直交變換方式將220V、50Hz的交流電通過整流器變成平滑直流,然后通過半導體IGBT組成的三相逆變器,將直流電變成可變電壓、可變頻率的交流電。其變頻控制方式主要有V/F控制、空間矢量控制(VC)及直接轉矩控制(DTC)方式。V/F變頻控制方式在低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應以及變頻器低壓導致的轉矩受定子電阻壓降影響較大等原因而使系統性能下降、穩(wěn)定性變差,從而只適用于轉速變化范圍小機械特性要求不高的場合??臻g矢量控制(VC)方式由于在實際應用中轉子磁鏈難以準確觀測,系統特性受電動機參數的影響較大導致實際的控制效果難以達到理想水平。而直接轉矩控制(DTC)則摒棄了矢量控制中復雜的解耦運算,直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型來控制電動機的磁鏈和轉矩,簡化了主電路、提高了系統的可靠性,從而適用于轉速和負載變化范圍較大的場合[4-5]。
綜上,本伺服系統采用臺達VFD-V型高頻變頻器。其內含PID反饋控制及V/F、向量控制和轉矩控制等多種控制方式(系統采用轉矩控制方式),并且零速轉矩可達150%以上,保證了系統具有良好的靜態(tài)性能。
3系統軟件設計
為方便系統維護與升級,系統軟件設計采用模塊化程序結構,主要有主程序、電機伺服中斷服務程序、測速服務子程序等組成。
3.1主程序
主程序在完成系統初始化后,進入上位機通信查詢及顯示子程序循環(huán),等待中斷的發(fā)生,電機速度采集采用定時中斷方式來實現。主程序流程圖如圖3a所示。
3.2電動機伺服中斷程序
變頻電機伺服中斷程序由MSP430($2.0250)F149內部定時器A完成中斷并且執(zhí)行,電機控制中斷程序流程圖如圖3b所示。
圖3 程序流程圖
3.3數字PID調節(jié)器設計
在數字PID調節(jié)控制系統中,加入積分校正后,系統會產生過大超調,這是伺服系統所不允許的[6-7]。為減少超調對控制系統動態(tài)性能的影響,需要在電機伺服過程中的啟動、停車或大幅度偏離給定時采用積分分離PID控制算法,只加比例、微分運算取消積分校正。而當被控制量接近給定值時,才使用積分校正以消除靜態(tài)誤差。為減少超調量,提高系統的穩(wěn)態(tài)控制精度,使系統擁有較高的控制品質本伺服系統引進積分分離PID控制算法。具體算法實現如下:
?。?)根據實際情況,設定閥值&epsilon($164.9500);》0。
?。?)當時,采PD控制,避免系統過大超調,同時使系統有較快響應速度。
?。?)當時,采用PID控制,可保證伺服控制的精度。
控制算法公式:
4 結束語
本文設計的交流變頻伺服系統將新一代高速單片機MSP430($2.0250)F149與臺達轉矩控制變頻器VFD-V型相結合,基于上位機通訊方式進行控制,提高了系統的可控性能及穩(wěn)定性,以單片機代替了傳統的PLC控制,并與上位機聯動進行系統參數調節(jié),實現了良好的人機人機交互平臺,同時降低了系統的開發(fā)成本以及周期,并在實際應用中取得良好的控制精度及可靠性能,為伺服系統設計開發(fā)提供了更好的系統解決方案。
用可編程模擬器件實現直流伺服電機的速度控制
1 引 言
直流伺服電機具有響應快、低速平穩(wěn)性好、調速范圍寬等特點,因而常常用于實現精密調速和位置控制的隨動系統中,在工業(yè)、國防和民用等領域內得到廣泛應用,特別是在火炮穩(wěn)定系統、艦載平臺、雷達天線、機器人控制等場合。盡管交流伺服電機的發(fā)展相當迅速,但在這些領域內還難以取代直流伺服電機。
傳統的直流調速系統包含2個反饋環(huán)路,即速度環(huán)和電流環(huán),采用測速機、電流傳感器(霍爾器件)及模擬電子線路實現速度的閉環(huán)控制?,F代數字直流伺服控制則采用高速數字信號處理器(DSP),直接對速度和電流信號進行采樣,通過軟件實現數字比較、數字調節(jié)運算(數字濾波)、數字脈寬調制等各種功能,從而實現對速度的精確控制。二者相比,模擬調速系統結構簡單、成本低、可靠性高,但調試較復雜,因為其電路參數的修改往往需要硬件上的改動;而數字調速系統結構復雜、成本高,但是調速精度很高、調試過程也較容易,調速系統的性能可以由軟件進行控制。
本文介紹一種方法,介于模擬調速及數字調速二者之間,即采用可編程模擬器件(ispPAC10)實現模擬調速系統,系統的電路參數可以通過軟件進行調整,并且可以對建立的系統模型進行仿真。采用這種方法對原有的直流調速器一種CCD相機的自動變焦系統進行改進,取得了很好的效果。
2 模擬直流調速系統的組成和工作原理
模擬調速系統一般是由2個閉環(huán)構成的,既速度閉環(huán)和電流閉環(huán),為使二者能夠相互協調、發(fā)揮作用,在系統中設置了2個調節(jié)器,分別調節(jié)轉速和電流。2個反饋閉環(huán)在結構上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結構,這就是所謂的雙閉環(huán)調速系統,他具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點,因而得到廣泛地應用。圖1是系統的結構框圖,其中ASR,ACR分別是速度和電流調節(jié)器,通常是由模擬運放構成PI或PID電路;信號調理主要是對反饋信號進行濾波、放大??紤]到直流電機的數學模型,模擬調速系統動態(tài)傳遞函數關系如圖2所示。
以速度調節(jié)器ASR為例,其線路原理如圖3(a)所示,其中Zin(S)表示輸入網絡的復數阻抗,Zf(S)表示反饋網絡的復數阻抗。
這樣:
即調節(jié)器的傳遞函數等于反饋網絡與輸入網絡復數阻抗之比。所以,改變Zf(S)和Zin(S),就可以獲得所需要的傳遞函數,以滿足系統動態(tài)校正的需要。圖3(b)所示的PI調節(jié)器,其動態(tài)結構如圖4所示。
其中:
在模擬調速系統的調試過程中,因電機的參數或負載的機械特性與理論值有較大差異,往往需要頻繁更換R,C等元件來改變電路參數,以獲得預期的動態(tài)性能指標,這樣做起來非常麻煩,如果采用可編程模擬器件構成調節(jié)器電路,系統參數如增益、帶寬甚至電路結構都可以通過軟件進行修改,調試起來就非常方便了。下面以圖3所示PI調節(jié)器為例,說明如何應用可編程模擬器件—ispQAC10實現模擬調節(jié)器電路。
3 實現方法
3.1 ispPAC10簡介
ispPAC10是Lattice公司生產的一種在系統可編程模擬器件,采用非易失性E2CMOS工藝,其內部的模擬部件塊“PACblocks”無需外接電阻、電容等元件,便可代替?zhèn)鹘y的模擬電路,如運算放大器、濾波器等;通過軟件編程,可實現電路的設計和修改,極大地縮短了開發(fā)、調試周期,具有很高的性能價格比。Lattice公司為開發(fā)ispPAC10而提供的集成軟件包PACDesigner功能強大、易學易用,可以在網上下載。 ispPAC10內部包含4個模擬部件塊—內部結構如圖5所示。
PACblock電路原理圖如圖6(a)所示,圖6(b)是PAC-Designer軟件包中PACblock的表示。
其傳遞函數關系如下:
這樣,式(3)還可以寫成如下形式:
通過式(4)、式(5)以及圖6(b),可以看出PACblock模塊具有比例、求和、積分、濾波等基本運算功能,而1片ispPAC10包含4個PACblock模塊,每個模塊都有2組差動輸入、1路差動輸出。
將這4部分適當地連接,便可形成較復雜的模擬電路。
3.2 ispPAC10實現調節(jié)器電路
以圖(3)所示具體電路為例,設R0=10 kΩ,C0=0.15μF,Rf=40 kΩ,Cf=0.5μF,其傳遞函數如圖7所示。
為了用ispPAC10實現上述結構,需將其變成圖8所示的形式。
現在可以用ispPAC10直接實現上述調節(jié)器,具體電路如圖9所示,其中運放的增益、電容的取值是通過軟件PAC-Designer設定的。
4 結 語
用可編程模擬器件可以很方便地設計、實現模擬電路。用他設計模擬調速電路,電路的參數、結構都可以通過軟件進行調整,使調試過程變得非常簡單。需要注意的是這一類器件工作電壓一般不超過5 V,ispPAC10工作電壓為+5 V,因此輸入信號不能太大,目前還只能用于小信號模擬電路中,盡管如此,其發(fā)展前景仍然非常誘人。
基于DSP的無刷直流電機伺服系統設計
引言
無刷直流電機(簡稱BLDCM)是一種用電子換向器取代機械電刷和機械換向器的新型直流電動機,具有結構簡單,調速性好,效率高等優(yōu)點,目前已經得到廣泛應用。TMS320F2812($18.5250)數字信號處理器是TI公司最新推出的32位定點DSP控制器,器件上集成了多種先進的外設,具有靈活可靠的控制和通信模塊,完全可以實現電機系統的控制和通信功能,為電機伺服系統的實現提供了良好的平臺。本文設計了以高性能TMS-320F2812DSP 芯片為核心的無刷直流電機伺服控制系統。
1 伺服控制系統硬件構成及其工作原理
系統硬件框圖如圖1所示。
1.1 控制電路
控制電路是以F2812為核心,另外還包括位置編碼、數據采集、數據通信等功能模塊和部分外圍電路及數據接口,其主要功能是實現對被控對象位置信息的采集和處理,速度反饋信息的接收和處理,位置、速度的閉環(huán)控制。F2812片內具有12位的AD轉換器,但為提高伺服系統運動的精度,在DSP外圍擴展了兩片 6路16位的AD轉換芯片,用來采集反饋信號以及輸入的運動指令信號。
系統設計同時采用DSP和CPLD以提高電路的可行性。DSP所起到的作用主要是根據反饋的位置,速度信號,結合電機的運動方向和運動速度,利用 F2812片上的電機控制專用外設EVA,通過數字I/O口輸出1路與電機運動相對應的PWM波。CPLD根據輸入的PWM信號,控制信號和數字信號組成的換相時序信息輸出對應大小和對應時序的相電壓,從而驅動電機做相應的運動。
1.2 信號采集以及調理電路
該電路對各種傳感器信號及電流電壓信號進行采集并處理。包括采樣的電流電壓反饋信號,給定的控制信號等模擬量信號,以及霍爾傳感器的輸出等開關量信號,經調理電路處理后,使其幅值及電平可以滿足DSP控制器的要求。
本系統使用AD7656($15.3360)對采集來的模擬信號進行模數轉換。F2812的GPIOA0口與74ACl6373的使能端相連,用于使能鎖存器,GPIOAl與 CONVSTX相連,用來啟動6路A/D的同時轉換。GPIOA2連接BUSY信號,AD7656($15.3360)轉換結束后,BUSY信號變低,DSP以查詢方式接收 AD數據。74ACl6373用于鎖存AD轉換后的16位數據,74LSl38用于將DSP地址線譯碼與AD7656($15.3360)的片選信號相連。
1.3 驅動電路
電機的驅動電路由驅動芯片IR2130($5.6212)和三相全逆變電路構成。功率驅動電路采用+15 V供電,驅動芯片IR2130($5.6212)內置了2.5 μs的死區(qū)時間,防止統一橋臂的上下兩個MOSFET同時導通。當系統出現欠壓,過流時,IR2130($5.6212)啟動內置的保護電路鎖住后面的PWM輸出,保護系統電路。IR2-130的輸入信號是由CPLD解算而得的6路PWM波,經過光耦隔離后送入IR2130($5.6212),輸出信號送MOSFET驅動無刷直流電機。在三相逆變電路中,六個功率器件起繞組開關作用,采用兩兩通電,三相六狀態(tài)方式,每一個瞬間有兩個功率管導通,每隔1/6周期(60°電角度)換相一次,每次換相一個功率管,每個功率管一次導通120°電角度。
2 伺服系統的控制策略
本系統是通過電流、速度、位置三閉環(huán)結構實現系統控制的,其中電流環(huán)和速度環(huán)是內環(huán),位置環(huán)是外環(huán)。
圖2是無刷直流電機控制系統框圖,在系統中設置了速度PI調節(jié)器和電流PI調節(jié)器,分別調節(jié)電機的轉速和電流,兩者之間是串級連接。給定的位置信號U與反饋的位置信號position經過位置PID調節(jié)后得到速度的參考值SDref。根據兩次捕獲的時間可以計算出電機運行的速度speed,此速度作為速度參考值的反饋量,經過速度PI調節(jié)后可以得到參考電流Iref,通過電流檢測電路可以得到電流的反饋量I,再經過電流PI調節(jié),最后得到的調節(jié)量用來控制 PWM的占空比,即把速度調節(jié)器的輸出當做電流調節(jié)器的輸入,再以電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。
2.1 電流環(huán)控制
電流環(huán)是通過電流反饋控制使電機電樞電流線性受控,可達到電機輸出力矩的線性控制,并使其動態(tài)范圍響應快,安全性提高。
在實際應用中,為加快系統響應速度,減輕DSP負擔,采用模擬實現方法。將電阻串聯在電樞回路上,同時起到一個功率變換電路的過電流保護作用。通過電流反饋控制使電機電樞電流線性受控,可達到電機輸出力矩的線性控制,并使其動態(tài)范圍響應快,安全性提高。
電流環(huán)設計中,電流調節(jié)器選用PI調節(jié)器;限幅器可以和電流調節(jié)器做在一起,限幅值由PWM功放輸入范圍確定;PWM功放選用專用集成電路;濾波保護網絡采用LC網絡提高EMC水平,二極管網絡保護PWM功放選;電流調節(jié)器選用PI調節(jié)器;采樣電阻選用O.1Ω,如果所選PWM功放具有電流測量端子,也可以直接讀出電機電流值。
圖3為電流環(huán)控制框圖,R-電機電樞電阻,Tm-電機時常數。Ks-功率放大器電壓放大系數。電流環(huán)設計的參數:PI調節(jié)器,一階無靜差;輸出最大電流≥0.63 A,反饋系數為15.873;帶寬≥30 Hz;τi選為電機等效時常數。
2.2 速度環(huán)控制
速度環(huán)是位置環(huán)的重要內環(huán)路,速度閉環(huán)可改善控制對象的線性度,提高速度控制精度,改善電網電壓等對電機轉速的影響,提高抗干擾能力,改善系統性能。
轉子旋轉一周的時間內,霍爾傳感器輸出3路180°的交疊信號,電動機每轉動60°就有一次換相,只要檢測兩次換相的時間間隔就能計算出電機的速度。
2.3 位置環(huán)控制
位置環(huán)是通過安裝在電機轉軸上的電位器實現閉環(huán)的控制環(huán)路,位置環(huán)路的控制對象是電流環(huán)和傳動機構。由電位器測得的電壓信號經過信號解調和AD轉換得到位置反饋信號。由于位置環(huán)具有很大的不確定性,加之被控對象的非線性以及系統參數的時變性等,為了減小電機在運行過程中積分校正對系統動態(tài)性能的影響,本系統對位置環(huán)采用積分分離的PID算法。如圖4所示,積分分離法是在誤差量較大時,不進行積分,直至誤差達到一定值之后,才在控制量的計算中加入積分累積。算法為:
3 系統軟件實現
伺服控制系統的軟件采用模塊化設計,使軟件組織靈活有序,便于調整、修改和移植。DSP程序主要由主程序,信號采集與輸出程序,PID 算法程序,串口通信程序,濾波程序等組成。主程序首先是DSP的初始化,包括設置系統時鐘、定時器、系統狀態(tài)寄存器、設置IO端口。然后初始化中斷設置,確定系統所需要用到的中斷類別及中斷子程序,再設置事件管理器,產生PWM波。圖5為積分分離的PID程序流程圖,用積分分離的改進算法效果較好,程序簡單。
4 結束語
本文設計了一種基于TMS320F2812($18.5250)DSP的無刷直流電機伺服控制系統,采用積分分離的PID控制算法,根據偏差,對不同情況進行不同的PID控制,并對系統的硬件設計以及控制算法進行了研究。試驗結果表明,系統響應快,性能穩(wěn)定,能較好的滿足伺服系統的控制性能要求。
基于DSP的高精度伺服位置環(huán)設計方案
機床是裝備制造業(yè)的母機,也是裝備制造業(yè)的引擎。我國“十一五”發(fā)展規(guī)劃明確規(guī)定:國產數控機床國內市場占有率要達到60%,高端產品與國際先進水平的差距縮小到5年以內。
作為數控機床的重要功能部件,永磁同步電機伺服驅動裝置是數控機床向高速度、高精度、高效率邁進的關鍵基礎技術之一。隨著新的微處理器、電力電子技術和傳感器技術在伺服驅動裝置的應用,伺服驅動器的性能獲得極大的提高。如日本的安川公司利用新的微處理器,以及通過擴充新的控制算法,速度頻率響應提高到了1.6kHz,具有自動測定機械特性,設置所需要的伺服增益功能,實現了“在線自動調整功能”;發(fā)那科公司的新一代驅動器則采用了1600萬/轉的高分辨率的編碼器,高精度電流檢測,實現了高速、高精度的伺服HRV(高響應向量)控制算法,伺服電機的最大控制電流減少50%,并減少電機發(fā)熱17%,使得伺服驅動裝置可以獲得更高的剛性和過載能力。國內在高性能伺服驅動技術方面,與國外名牌企業(yè)仍存在較大的差距,已成為制約我國發(fā)展中高檔數控系統產業(yè)的 “瓶頸”問題。
針對舊產品的信號處理時間長,電流與位置信號檢測精度低的不足,本系統以TMS320F2812($18.5250) DSP為控制器,縮短了信號處理時間且提高電流采樣精度;位置檢測用多摩川的TS5667N120 17位絕對式編碼器以提高了位置檢測精度。系統在數控加工中心的應用中,具有定位無超調、高剛性、高速度穩(wěn)定性,達到了設計指標,可以滿足微米級加工精度的要求。
系統硬件設計
系統硬件以 TMS320F2812($18.5250)DSP控制器、三菱公司的IPM功率模塊、多摩川公司的TS5667N120 17位絕對式編碼器為主要功能部件,硬件系統框圖如圖1所示。
圖1中TMS320F2812($18.5250) DSP為控制核心,接收來自CNC、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息,完成對永磁同步電機控制和故障處理。光電隔離模塊作為電子電路與功率主電路的接口,將DSP發(fā)出的SVPWM信號送入IPM模塊,完成DC/AC逆變,驅動電動機旋轉。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉向和編碼器報警等信息送往DSP,同時將永磁同步電動機的位置信息送往CNC。電機相電流經電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅,轉化為0~3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號經故障檢測模塊檢測與處理后,送入DSP的I/O端口。鍵盤與顯示模塊是控制器的人機接口,用以完成控制參數的輸入,運行狀態(tài)與運行參數顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數與系統故障信息。
系統軟件設計
按任務劃分,系統軟件由任務與任務管理模塊構成,任務管理模塊對人機接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個任務進行調度管理??刂扑惴ㄖ饕ǎ赫{節(jié)器控制算法、矢量控制算法和數字濾波器算法等。
按照結構化程序設計方法,遵循“功能獨立”的原則,將系統軟件劃分為主程序模塊和矢量控制程序模塊兩大部分,各部分又劃分為若干子模塊,以利于軟件設計、調試、修改和維護。矢量控制軟件設計采用典型的前后臺模式,以主程序作為后臺任務,中斷服務程序作為前臺任務。根據矢量控制算法的特點,中斷服務程序只處理實時性高的PWM控制子程序,把系統的一些測量、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務放到后臺任務。
主程序是軟件的主體框架,其工作過程是:系統上電復位后,依次對片內外設進行初始化、從E2PROM中讀出控制參數、LED顯示初始信息。初始化完成后,主程序循環(huán)執(zhí)行LED顯示、鍵盤處理和參數計算與保存。
PWM中斷服務。在PWM中斷到來時,首先讀取編碼信號,進行角度和速度計算,接著進行A/D采樣并執(zhí)行clark和park變換,然后進行PI調節(jié)、反park變換,最后進入空間矢量模塊,產生PWM信號。
控制器算法
系統采用三環(huán)控制結構,電流環(huán)、速度環(huán)采用PI控制,位置環(huán)采用比例加前饋補償控制。
PID控制算法
PID控制算法是控制中最常用的算法,對于大多數的控制對象采用PID控制均能達到滿意的效果。為防止PID調節(jié)器出現過飽和,系統采用帶退飽和的PID控制器,如圖2所示。
離散PID控制算法如下:
式中,為飽和前的輸出,KP為PID控制的比例增益,Ti為PID控制的積分時間常數,Td為PID控制的微分時間常數,Kc為退飽和時間常數。
位置控制器的控制算法
位置控制器采用比例加前饋控制結構,如圖3所示,其中Gm為電機的傳遞函數,Gspd為速度環(huán)的傳遞函數,Gpos為位置環(huán)的傳遞函數,Fpos為位置前饋控制器傳遞函數。
系統的傳遞函數為:
當Fpos(s)=1/(Gspd(s)Gm(s))時,H(s)=1,則可使輸出完全復現輸入信號,且系統的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)誤差都為零。其中當速度調節(jié)器采用PI控制時,在位置環(huán)的截止頻率遠小于速度環(huán)的截止頻率時,速度環(huán)可等效為一個慣性環(huán)節(jié),電機可等效為一個積分環(huán)節(jié),于是Fpos(s)可以看成加速度前饋和速度前饋兩部分[5],其中:位置前饋中加速度項差分方程:
式中R(k)為第K個采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個采樣周期中加速度信號的輸出,Kaf為加速度前饋比例系數。
位置前饋中速度項差分方程:
式中R(k)為第K個采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個采樣周期中速度信號的輸出,Ksf為速度前饋比例系數。
相應的位置環(huán)P的差分方程:
式中R(k)為第K個采樣周期中的位置給定信號;C(k)為第K個采樣周期中的位置反饋信號,Ye為第K個采樣周期中位置環(huán)信號的輸出,Kc為位置環(huán)比例系數。
絕對式編碼器通信程序
絕對式編碼器與DSP的接口采用CPLD作為接口芯片。CPLD的程序采用VHDL語言編寫,程序結構如圖4所示。此電路完成串行輸入數據到并行輸出數據的轉換,以及并行輸入數據到串行輸出數據的轉換。
圖4中,模塊DIV為時鐘分頻器,TX模塊接收來自微處理器接口模塊MP的8位并行數據,并通過端口DOUT將數據串行輸出到RS-485($14.5000)端口。反過來,RX模塊接收串行數據輸入,并以8位并行格式發(fā)送至MP模塊,MP模塊同時將接收到的位置信號轉成脈沖形式輸出,實現與CNC的連接。
實驗結果分析
本設計,應用虛擬儀器技術設計出實驗測試平臺,記錄實驗測試結果。虛擬測試平臺配置如下:軟件NI LabVIEW 8.0,硬件NI M系列多功能數據采集卡PCI-6251,16、NI 計數器/定時器PCI-6602。
圖5給出了加工過程中的速度波形。圖5表明,系統的加、減速時間小于200ms($1.2528);無位置超調;穩(wěn)定時,速度波動小于0.1轉。速度頻率響應:大于 300Hz;速度波動率:小于±0.01%(負載0~100%)、0(電源±10%);調速范圍:0.1rpm~3000rpm;回轉定位精度:1個脈沖。
圖6給出了驅動器配國產某品牌加工中心的機械加工結果。實驗測試數據:上表面表面粗糙度Ra1.6μm;側面(即測量面)的粗糙度Ra3.2μm。
結語
針對數控機床進給控制,采用磁場定向控制與前饋補償控制,以 TMS320F2812($18.5250)DSP 控制器、IPM功率模塊、TS5667N120 17位絕對式編碼器為主要功能部件,設計出的永磁同步電機伺服驅動控制器,在數控加工中心的應用中,具有定位無超調、高剛性、高速度穩(wěn)定性,達到了設計指標,可以滿足微米級加工精度的要求。
基于DSP的穩(wěn)定平臺伺服系統的設計研究
在伺服電機和伺服驅動器組成的高性能穩(wěn)定平臺伺服系統中,需要實時地獲得伺服電機的轉角和轉速信息,高速高精度的傳感器以及相應的外圍電路設計是必不可少的。由于單片機自身資源的局限性,難以滿足現在伺服系統高精度、高運算率以及快速實時性的要求。在穩(wěn)定平臺伺服控制系統中,DSP已經逐漸取代單片機,成為主流芯片。本設計采用TI公司的32 bit浮點型DSP芯片TMS320F28335($18.5250),其工作時鐘頻率高達150 MHz,具有強大的運算能力,能夠實時地完成復雜的控制算法。片內集成了豐富的電機控制外圍部件和電路,簡化了控制電路的硬件設計,提高了系統的可靠性。
本研究采用DSP的新型開發(fā)板ICETEK-F28335-A,配合使用其中的EQEP模塊和光電編碼器設計了測量伺服電機轉速的解決方案,同時利用該開發(fā)板上的數模轉換(D/A)模塊,經過電壓轉換放大完成對伺服電機轉速的控制,實現了對穩(wěn)定平臺伺服電機控制的閉環(huán)系統。實踐表明,該系統有功耗低、成本低和結構簡單的優(yōu)點,同時具有高精度、高分辨率以及快速實時性的特點,使穩(wěn)定平臺伺服系統達到了較好的控制效果。
1 穩(wěn)定平臺的伺服系統結構
穩(wěn)定平臺應用的主要技術是伺服控制技術,本系統實現了對松下伺服MINAS A系列伺服電機進行速度控制,其主要由松下伺服MINAS A系列的伺服驅動器、伺服電機、相應的光電編碼器、TMS320F28335($18.5250)運動控制開發(fā)板、相應的ICETEK-5100USB仿真器以及實現閉環(huán)過程必需的外圍電路組成。伺服系統的結構如圖1所示。
穩(wěn)定平臺的伺服系統實現速度閉環(huán)過程為:DSP控制器根據上位機給定的速度命令值減去速度反饋值算出電機速度的誤差值,經過驅動單元的數字濾波器(調節(jié)算法)產生電機速度的控制信號,即D/A模塊產生模擬量電壓,經過電平轉換到能夠對伺服電機進行控制的電壓范圍,從而實現對伺服電機的轉速控制。其中,反饋值是根據增量式光電編碼器反饋的正交脈沖信號,經過光耦隔離、整形,將反饋信號提供給TMS320F28335($18.5250)的eQEP模塊。采集脈沖信號根據M/T計數方法計算出電機轉速,反饋給上位機,實現自動控制,從而使穩(wěn)定平臺能夠隔離載體運動建立穩(wěn)定基準面[1]。電源模塊將開關電源提供的+5 V電壓變換為+3.3 V為系統供電[2]。
2 伺服系統的硬件設計
2.1 TMS320F28335($18.5250)的eQEP模塊
TMS320F28335($18.5250)的eQEP模塊為增強型的正交解碼模塊,主要應用于運動控制系統中,它提供了編碼器的直接接口,通過eQEP模塊可以得到電機的位置、方向和速度信息。TMS320F28335($18.5250)中提供4個引腳信號經GPIO復用器進入到eQEP內部的正交解碼模塊, QDU(正交解碼單元)對接收到的編碼器的正交脈沖信號進行方向和脈沖的解碼,解碼之后得到4倍頻的位置脈沖信號和方向信號,送到位置計數器中進行脈沖計數。設置編碼器控制寄存器QDECCTL為正交計數模式,觀察狀態(tài)寄存器QEPSTS中的正交方向標志位來觀察旋轉方向,順時針時進行增計數,逆時針時進行減計數。通過程序讀取該位置計數器QPOSCNT的值就可以得到電機實際位置信息,通過該位置信息就可以與給定位置信息進行閉環(huán)控制。此外,還可以通過 QCAP模塊來計算電機的速度信息[3]。正交編碼脈沖、定時器計數脈沖和計數方向時序邏輯如圖2所示。
2.2 光電編碼器和TMS320F28335($18.5250)的接口電路
伺服系統的編碼器信號是從伺服驅動器上輸出的差分信號,而DSP需要的是TTL信號,因此在采集前需要對編碼器輸出的信號OA+、OA-、OB+、 OB-、OZ+和OZ-進行轉換,本系統利用AM26LS32($0.3125)芯片進行差分信號的接收[4],接收后的輸出信號為A、B和Z 3路信號,其中A、B信號相位差為90°。光電編碼器輸出的信號經過光電隔離、整形之后送到DSP eQEP模塊的相應引腳,其接口電路如圖3所示。其中,6N137($0.2160)是高速光耦芯片,實現數字信號和模擬信號的隔離;74HC14($0.0625)是高速CMOS反相器,實現對輸入脈沖信號的整形。圖3只給出了光電編碼器輸出的OA+、OA-兩路信號的光電隔離和整形,光電隔離和整形后的信號送到TMS320F28335($18.5250)外設引腳的EQEP1A、EQEP1B和EQEP1I,進行正交解碼。
由于DSP開發(fā)板輸出阻抗較大,有分壓導致衰減損耗嚴重,因此放大電路前需加一個電壓跟隨器,起到阻抗匹配作用,從而使后級放大電路能夠更好地工作。
3 伺服系統的軟件設計
系統的軟件調試與開發(fā)均采用針對TMS320F28335($18.5250)的CCSV3.3版本。TI公司為用戶提供的軟件開發(fā)工具CCS(Code Composer Studio)提供了可視化窗口,將所有代碼生成工具集成在一起,用戶的一切開發(fā)過程都在CCS中進行,包括項目建立、源程序的編輯、程序的編譯和調試,此外,CCS還提供了實時操作系統DSP/BIOS,極大地方便了調試和開發(fā)。本系統的DSP程序主要分為主程序和中斷服務程序兩個模塊。主程序模塊 [10]主要實現各個功能模塊的初始化、內存變量的定義和中斷矢量的聲明等工作。中斷程序模塊主要實現相關寄存器的設置、讀取和鎖存eQEP模塊的脈沖計數、檢測電路的反饋以及控制算法的程序等工作,其軟件流程如圖6所示。
本文提出了穩(wěn)定平臺伺服系統的設計,利用DSP芯片TMS320F28335($18.5250)的eQEP模塊對光電編碼器的脈沖信號進行解碼和計數,求得伺服電機的角度和速度信息,從而與上位機給定值進行比較,通過調節(jié)算法使D/A模塊產生電壓信號對伺服電機進行速度控制。研究表明,該設計具有較高的響應速度、穩(wěn)定精度和較強的抗負載擾動能力,充分實現了穩(wěn)定平臺的高精度控制。同時,該系統具有較強的魯棒性和自適應能力,驗證了該方案的有效性,并為不同控制領域提供了高性能的數字解決方案。
一套高精度的交流伺服定剪系統的設計方案
在卷筒流水線的板帶生產企業(yè)中,如扎鋼、鋁鉑、卷筒紙等,其裁切系統,許多企業(yè)基本上還在沿用以前的直流或交流變頻組成的閉環(huán)控制系統,其裁切精度雖能達到基本的要求,但往往不是很高,隨著社會的發(fā)展,生產企業(yè)精益求精,對提高自身的品牌形象也日顯重要。鑒于此,本文介紹了一款高精度的交流伺服定剪系統的設計方案。經驗證,本方案所設計的這套系統,穩(wěn)定性和精度都較以往有了大大的提高,在減少了損失的同時還滿足了客戶對產品越來越高的要求。
1系統設計原理
圖1:康爾達公司的交流伺服定剪系統
假設要裁切的長度為S,主動輥的周長為L,主輥轉過的圈數N(或者說角度),則S=LN,這是一個線性方程,也即S和N成正比,假設減帶機齒輪的變比為 K,則可求出S和電機轉過圈數X,S=L*X/K.此式說明S和X仍為一個線性方程,為此要取得需要的長度S,只需控制住電機轉過的圈數。在原系統中采用變頻器、PLC、編碼器和高速計數模塊來組成控制系統,其中PLC給定值(長度對應的脈沖量)送入變頻器驅動電機運轉,電機運轉又帶動編碼器旋轉產生脈沖,反饋回高速計數器送入PLC和原給定值比較,直到相等時停止電機的運行。實際使用中此系統雖然通過調整變頻器的方式,引入第一、二加減速時間來減少電機的慣性,使電機在極慢速成爬行時停車。但此系統的精度仍不可能很高。其缺點:
?。?)編碼器和電機不同軸、不是一體;
?。?)電機停車要用抱閘來剎車,而抱閘的快慢和力量對精度都將產生影響。而利用交流伺服系統后這兩方面
2系統硬件設計
■操作臺-由主令電器控制定尺系統的自動和手動,由8421編碼的撥碼開關提供所需要的裁切尺寸。
■PLC-采用FX1N-40MT,該PLC具有成本較低,且?guī)в兴枰母咚倜}沖輸出,一個PLC單元能同時輸出2點100KHz脈沖,該PLC配備有 7條特殊指令,包括零返回、絕對位置讀出、絕對或相對驅動以及特殊脈沖輸出控制,抗干擾能力也較強,且編程方便,使用面廣,采購方便。
■伺服電機和驅動器-伺服電機采用松下伺服電機MDMA202A1G,此電機帶有同軸高精度的旋轉編碼器,該編碼器為增量式2500p/r,分辯率:10000($0.1000);驅動器采用松下MDDA203A1A和伺服電機組成的系統具有很好的控制性能,此系統穩(wěn)定性好,設置好參數后不用再人工干預,可靠性高,基本上不用維護,因此也不存在維護費用。
圖2:控制系統硬件圖
2控制系統軟件
因采用的是三菱FX1N-40MT,用其附帶的FXGP/WIN軟件進行梯形圖語言編程,非常直觀,易理解,整個程序簡潔,且與驅動器的通訊方便,只需較簡單的接線便可完成。
圖3:程序設計框圖
圖4:程序測試圖
3使用交流伺服的優(yōu)點
■運轉平穩(wěn),低速時也不會出現振動;
■控制精度高,交流伺服的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證;
■響應速度快,加減速時間均可在極短的時間內完成;
■能恒力矩輸出,不受轉速的影響;
■具有較強的過載能力;
■交流伺服驅動系統自身組成閉環(huán),控制更可靠。
4結束語
本方案所設計的這套系統,穩(wěn)定性和精度都較以往有了大大的提高,不僅減少了損失,而且還滿足了客戶更高的要求,經濟效益顯著。同時也為今后的推廣積累了經驗,再接下來的幾年里我司相繼更改了其他的流水線,較低的成本取得了很好的效果。后來也在同行中得到了認同和推廣,后來上的線全部都采用了該類似的系統,而摒棄了原來的變頻夾送方式。
基于CAN總線的多伺服電機同步控制
引言
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≤0.05 mm),要求各個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,而且系統中有許多機械零件,不方便系統維護和使用。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。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。
1無軸傳動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10~20 m),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入、輸出任務。
卷筒印刷機要求印刷速度為300 m/min,套印精度≤0.03 mm,為了滿足套印精度,要求在各個機組定位精度≤0.03 mm.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
2同步控制系統設計
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FCS,總線的選擇選用CAN總線。
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,如圖2.
圖2同步控制系統圖
控制器和伺服驅動器都配有CAN總線控制器SJA1000($2.8080)和收發(fā)器PCA82C250($0.6186)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,可以根據印刷規(guī)模,擴展網絡節(jié)點個數。
3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.
由于系統定位精度要求≤0.03 mm,考慮到負載的大慣量性,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($0.0372)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($0.0372)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200 N?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($18.0000)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78.6 rad/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。
4時鐘同步機制
在分布式無軸傳動同步控制系統中,需要各個印刷機組之間統一協調地工作,所以各個機組必須要有統一的時間系統,以保證各個印刷機組協調工作,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議授時同步。
?。?)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。
?。?)協議授時同步。協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,以達到整個系統的時間同步性。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)。
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2 ms,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
5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),它可以在幾個系統采樣周期內完成??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
6同步接口技術協議
本系統總線波特率設為1 Mbps,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2 ms,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
7結束語
本文針對傳統的機械長軸印刷機同步控制系統,提出了以控制器為核心的現場總線控制系統,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。
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