基于CAN總線(xiàn)的多伺服電機同步控制

　　0引言

　　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≤0.05 mm)，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。

　　1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10～20 m)，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入、輸出任務(wù)。

　　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(mǎn)足套印精度，要求在各個(gè)機組定位精度≤0.03 mm.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

　　2同步控制系統設計

　　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.

　　圖2同步控制系統圖

　　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。

　　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(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≤0.03 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)200 N?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78.6 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(mǎn)足要求。

　　4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)。