基于CAN總線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非常重要的問題。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)，要求各個電機位置轉(zhuǎn)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(xiàn)振蕩現(xiàn)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(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。本文針對機組式印刷機械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場總線的同步控制解決方案，并得以驗證。

　　1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(fù)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10～20 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(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(guān)系，能否很好的實現(xiàn)各個機組軸的同步關(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(zhuǎn)動速度成一定的比例關(guān)系，張力機組根據(jù)不同的印刷速度調(diào)整張力系數(shù)，加工機組需要與主軸保持凸輪運動關(guān)系，而復(fù)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(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

　　2同步控制系統(tǒng)設(shè)計

　　考慮到印刷機中同步運動關(guān)系復(fù)雜，套印精度高、印刷機組點多、分散，多操作子站，印刷生產(chǎn)線長等特點，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。

　　為了實現(xiàn)各個印刷機組的復(fù)雜同步關(guān)系，將主控制器和各個電機的伺服驅(qū)動器都掛接到CAN總線上，構(gòu)成以印刷機控制器為核心的CAN現(xiàn)場總線系統(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(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(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，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，擴展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)。

　　3編碼器和伺服電機的選擇

　　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卷筒紙印刷機為例，其負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量很大，其中柔印機組為0.13 kg?m2，膠印機組轉(zhuǎn)動慣量最大，為0.33 kg?m2.

　　由于系統(tǒng)定位精度要求≤0.03 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，可是考慮到在實際印刷過程中，要不斷調(diào)整不同機組的位置，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。例如對于膠印機組，調(diào)整角加速度超過700 rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)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線，這樣在調(diào)整過程中，減小了電機的調(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(tǒng)中，需要各個印刷機組之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)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(diào)工作，完成印刷任務(wù)。

　　具體的時鐘同步實現(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、UTC接收機、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)。