（检测技术与自动化装置专业论文）基于多轴同步技术的多功能信封机控制系统设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在许多工业场合，多轴同步控制得到了越来越广泛的应用，多轴同步控制的 可靠性和精度直接影响到生产效率及产品质量。传统的多轴同步往往是通过机械 总轴刚性连接的方法实现，这种方式虽然同步性较好，但传动系统结构复杂，维 护困难，灵活性差，无法满足现代化生产的要求。近年来，随着控制技术的发展， 用电气方式实现多轴同步逐渐取代了机械总轴同步方式。基于电气方式的多轴同 步控制系统精度高，动态性能好，控制方式多，给机械传动系统设计带来了更大 的灵活性。 多功能信封机是由多个功能单元组成的联体机，信封的制作要靠各功能单元 间同步运转才能完成，每个功能单元都有一个传动辊轴，传动辊轴分别由一台伺 服电机单独驱动。本课题以信封机传动机构改造为研究背景，设计了基于多轴同 步控制技术的信封机电气控制系统。 首先，重点对信封机多轴同步控制的原理与特点进行了分析，设计了以西门 子c p u 3 1 4 c 一2 d pp l c 和m e c a p i o n 交流伺服系统为核心的多电机同步控制系统，同 步系统采用一主多从式结构。主电机转速在触摸屏上设定，主电机启动后p l c 根 据主电机编码器脉冲输出信号计算得出从电机的速度命令，将这个命令转换成一 定频率脉冲控制从电机跟随主电机运转，从而实现多电机的同步控制。其次，对 影响系统同步性能的几种因素进行了分析，提出了基于模糊p i d 的转速调节方法， p l c 通过f m 3 5 0 - 1 高速计数模块检测主电机与从电机的转速，并计算出主电机与从 电机的转速误差及误差变化率，然后模糊控制器根据误差和误差变化率来修正 p i d 控制器的参数，使系统能够快速准确地调节从电机速度跟随主电机变化，从 而消除同步误差，提高系统的动态性能和稳念精度。最后，构建基于p r o f i b u s 现场总线的多驱动器控制网络，p l c 通过现场总线能够实时的读取各个驱动器的 状态参数，并能够通过上位机修改驱动器的相关参数。 通过现场调试证明，该系统同步性能好，抗干扰能力强，结构调整方便，能 满足生产要求。 关键词：多轴同步，p l c ，交流伺服系统，模糊p i d ，现场总线 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nm a n yi n d u s t r i a lo c c a s i o n s ，s y n c h r o n o u sc o n t r o lf o rm u l t i a x i sh a sb e e nu s e d m o r ea n dm o r ew i d e l y , t h er e l i a b i l i t ya n dc o n t r o la c c u r a c yo fs y n c h r o n o u sc o n t r o lf o r m u l t i a x i sa f f e c t p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n d q u a l i t y o fp r o d u c t s ，t r a d i t i o n a r y s y n c h r o n o u sc o n t r o lf o rm u l t i a x i si sr e a l i z e di nt h ew a yo fr i g i dc o n n e c t i o nb yl i n e s h a f t a l t h o u g ht h i sw a yh a sg o o ds y n c h r o n i s m ，i th a sc o m p l e xd r i v e ns y s t e m ， m a n a g e m e n td i f f i c u l t ，p o o rf l e x i b i l i t y , i tc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm o d e r n p r o d u c t i o n i nr e c e n ty e a r s ，s y n c h r o n o u sc o n t r o lf o rm u l t i a x i si nt h ew a yo fe l e c t r i c r e p l a c e st h es y n c h r o n i z a t i o nb ym a c h i n e r yl i n es h a f tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g y s y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mf o rm u l t i a x i sb a s e do ne l e c t r i c m e t h o dh a sh i g h a c c u r a c y , g o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，v a r i o u sc o n t r o lm o d e s ，w h i c h b r i g h tg r e a t e rf l e x i b i l i t yt ot h em a c h i n ed e s i g n m u l t i f u n c t i o n a le n v e l o p em a c h i n ei sac o m b i n e dm e c h a n i c a l e q u i p m e n t c o m p r i s e do fs e v e r a lf u n c t i o n a lu n i t s ，m a n u f a c t u r eo fe n v e l o p ed e p e n d so nt h e s y n c h r o n i z e dm o t i o no fu n i t s e v e r yu n i th a sd r i v es h a f t ，t h es h a f ti sd r i v e db yas e r v o m o t o r t h i st h e s i sd e s i g n st h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fe n v e l o p em a c h i n eb a s e do n s y n c h r o n o u sc o n t r o lf o rm u l t i a x i so nt h eb a c k g r o u n do fg e a r i n gr e c o n s t r u c t i o no f e n v e l o p em a c h i n e f i r s t l y , a n a l y s et h et h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co fs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mo f e n v e l o p em a c h i n ep r i m a r i l ya n dd e s i g ns y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mf o rm u l t i m o t o r s w i t hc o r eo fs i e m e n sc p u 314 c 一2 d pp l ca n dm e c a p i o na cs e r v os y s t e m w i t ht h es t r u c t u r eo fo n e - m a s t e ra n dm u l t i s l a v e s t h es p e e do fm a s t e rm o t o ri ss e t b yt h et o u c hs c r e e n ，p l cc a l c u l a t e st h es p e e dc o m m a n dv a l u eo ft h es l a v em o t o r s a c c o r d i n gt ot h ee n c o d e r so u t p u ts i g n a lo fm a s t e rm o t o ra n dm a k et h es l a v em o t o r r u nf o l l o w i n gm a s t e rm o t o rb yc o n v e r t i n gt h i sv a l u et op u l s ea tac e r t a i nf r e q u e n c ys o a st or e a l i z es y n c h r o n o u sc o n t r o lf o rm u l t i m o t o r s s e c o n d l y , a n a l y s es e v e r a lf a c t o r s w h i c ha f f e c tt h es y s t e ms y n c h r o n o u sp e r f o r m a n c ea n dp u tu pam e t h o do fs p e e d a d j u s t m e n tb a s e do nf u z z yp i d ，p l cd e t e c t st h es p e e do fm a s t e rm o t o ra n de a c h s l a v em o t o rb yf m 35 0 1h i g h s p e e dc o u n t e rm o d u l e sa n dc a l c u l a t e st h es p e e de r r o r 江苏大学硕士学位论文 a n dr a t eo fe r r o rc h a n g e ，t h e nf u z z yc o n t r o l l e ra d j u s tt h ep a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e r a n dm a k es y s t e mc a na d j u s tt h es p e e do fs l a v em o t o r st of o l l o wt h es p e e do fm a s t e r m o t o rq u i c k l ya n da c c u r a t e l y ，s oa st oe l i m i n a t et h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra n d i m p r o v ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea sw e l la ss t a t i ca c c u r a c y f i n a l l y , c o n s t r u c tc o n t r o l n e t w o r ko fm u l t i d r i v e rb a s e do np r o f i b u sf i e l d b u s ，p l cc a nr e a dt h es t a t e p a r a m e t e r so fe a c h d r i v e ri n s t a n t l ya n dm o d i f yt h er e l e v a n tp a r a m e t e r sb yu p p e r c o m p u t e r t h i ss y s t e mh a sg o o ds y n c h r o n o u sp e r f o r m a n c e ，s t r o n ga n t i j a m m i n gc a p a b i l i t y a n de a s ya d j u s t m e n ti ns t r u c t u r ep r o v e db yf i e l d a s s e m b l e ，i tc a l ls a t i s f yp r o d u c t i o n r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o no f m u l t i a x i s ，p l c ，a cs e r v os y s t e m ，f u z z yp i d ，f i e l d b u s i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：雇暂 日期：2 。户年月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密m 。 翩獬：弦v 签字日期：刃，d 年6 月0 日 j 了 葡 汨 ， f在汨 名 年 鉴 p 者 饧 2 文 期 沦 日 位 字 学 签 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源、研究目的与意义 随着国际交流的日益增多，商业信函、西式信封、首日纪念信封和贴纸封的 需求量不断上升，但目前国内大多数信封生产企业大都使用单功能的信封设备来 制作信封，单功能的信封制作设备是由几个相互分离的机械组成，所以在信封的 制作过程中要对纸张进行多次的运转，这样的生产方式除了对信封生产单位的生 产管理要求较高之外，往往还不能保证信封的成品率，而且多台机器存在占地面 积大，使用功率高，耗能大，操作工人多等缺点，从而增加了生产成本。为此， 很多信封生产企业急需一种多功能的全自动信封机来代替目前使用的单功能信 封生产设备。 多功能信封机是一种高效的制作各类信封的专用设备，其主要功能包括输 纸、开窗、贴膜、涂胶、烘干、折叠等，速度可达每小时2 5 0 0 0 枚以上。目前， 这种性能的信封制作设备只有德国的w + d 公司、美国f l s m i t a 等少数几家国外 的公司能够生产，国内的信封机生产企业在这一方面还基本处在研发阶段，还没 有成熟的产品投放市场。 多功能信封机是由多个具有不同功能的机械单元组成的联体机，每个单元都 是相对独立的结构体，分别要完成信封的开窗、贴膜、预涂口胶、贴纸、折叠等 自动精确控制功能，一枚信封的包装要依靠各个单元的同步协调运转才能完成， 多功能信封机的每个机械单元都由独立的电机驱动，是一个多动力驱动的同步协 调控制系统，系统同步性能的好坏直接影响到产品质量以及生产效率，因此实现 多台电机的同步与协调控制是控制系统的核心。其次，控制系统还需要有相关的 流程检测单元，用于完成信封包装流程中的堵纸故障检测以及成品计数打包等功 能，从而形成自动化、现代化程度较高的信封包装流水线。 由于技术原因，我国的现代化包装流水线发展起步较晚，基础薄弱，技术水 平低。近年来，我国的包装机械行业虽然有了较大的发展，但在自动化程度、生 产规模、可靠性方面与世界先进水平仍有一定的差距，高级自动化和多功能的包 装流水线以及先进的包装检测流水线还要依赖进口。 江苏大学硕士学位论文 本课题以镇江市科技合作计划项目为研究背景，以信封机传动系统改造为平 台，将机械、自动控制、交流伺服系统、现场总线、智能控制等技术融入到信封 机控制系统的设计中，以高性能的可编程控制器和交流伺服系统为核心，利用工 业现场总线技术来完成多电机的同步协调控制。通过研究智能控制算法，来改善 系统的同步性能，形成响应快、精度高、耗能低的控制系统。这将填补信封包装 机械领域的技术空白，使我国拥有完全知识产权的新技术和新产品，打破国外产 品在该领域的垄断地位，而且还能够提高生产效率，大幅度降低信封生产企业的 生产成本。 1 2 多轴同步控制技术的研究与应用现状 在现代工业生产中，为了满足工艺要求往往需要进行双轴或者多轴的控制， 以保证各个机械轴之间按照一定的同步关系进行运转。多轴同步控制技术是一门 跨学科的综合性技术，是电力电子、电气传动、信息技术、控制技术和机械技术 的有机结合，近年来，随着相关技术的发展，多轴同步控制系统以其优越灵活的 控制方式在现代工业生产中得到了广泛的应用。传统的多轴同步控制大都采用机 械总轴的方式【，在这种方式下各个机械单元间通过齿轮比来满足同步关系，这 种传动方式虽然同步性能较好，但其传动系统结构固定、复杂，这给调试和维护 带来了极大的不便，而且传动效率低，在复杂转动扭矩较大的场合，往往需要大 功率的电机来进行驱动，受到电机功率的限制这种方式已经无法适应现代化生产 的要求。相对于机械方式，采用数字控制和伺服技术等电气控制方式的多轴同步 控制系统简化了设备的机械结构，而且控制方式灵活，精度高、动态性能好，逐 步在工业生产中得到了广泛的应用。 基于电气控制方式的多轴同步控制系统近年来得到了较大的发展，随着控制 要求的调高，对其研究已经深入到速度和力矩的双重控制的深度，它的研究成功 将为军事、航空以及一般工业控制中的多电机同步控制提供理论和实践技术方面 的支持。同步控制方式的研究主要有主令方式、主从方式、交叉耦合方式等。自 从1 9 8 0 年k o r e n 提出交叉祸合控制器以后，许多科学工作者围绕多机协调控制 理论展丌了进一步的研究，己经深入到速度和转角( 位置) 双重同步控制。近年来， 除了使用传统的p i d 控制之外，有许多科学工作者把h c o 控制、变结构控制、神 2 江苏大学硕士学位论文 经网络与遗传算法、内模控制等大批的现代控制理论的控制方法应用到多轴同步 控制中，取得了很好的效果【2 1 。进入本世纪以来，随着现场总线技术的不断发展 和在工业生产的成熟应用，很多学者将c a n 、p r o f i b u s 等现场总线技术应用到多 轴同步控制系统中，进一步提高了控制精度。 1 3 交流伺服系统概述 交流伺服系统，又称无刷伺服系统，由交流伺服驱动器和伺服电机组成。电 机主体是永磁同步式或者鼠笼式交流电机，交流伺服驱动器主要由电源模块，驱 动与逆变电路模块，速度与位置检测模块及控制模块等组成，内部结构如图1 1 所示f 3 卅。 褥生电阻 图1 1 伺服驱动器内部结构 3 江苏大学硕士学位论文 其中，控制电路模块包括核心控制芯片、人机界面和通信接口，驱动与逆变 电路模块包括逆变器主电路、电压电流采样电路、过压欠压保护等。 近年来，随着电力电子、微电子、永磁技术和控制理论的不断发展，尤其是 先进控制策略的应用，交流伺服系统已具备宽调速范围、高稳速精度、快速的动 态响应等良好的技术性能，使其逐渐取代直流伺服系统成为市场主流。交流伺服 系统按其采用的驱动电机类型分为：永磁同步电动机交流伺服系统和感应式异步 电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性，可以实现弱 磁高速控制，调速范围广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之 选【3 1 。 目前，采用新型高速微处理器和专用数字信号处理芯片的伺服控制单元已经 逐渐取代以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现了全数字化的交流伺服 系统。在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术近年得到了长足 发展，为了适应不断发展的技术和生产要求，越来越多的伺服系统都配备了相应 的网络功能，通过网络通讯接口，上位机单元可以方便的监控伺服系统的运行状 态，并能够实时的修改驱动器的运行参数等功能，这些新特点显著增强了伺服系 统与其他设备间的通信能力。 伺服驱动器通常是采用电流型脉宽调制( p w m ) 三相逆变器和具有电流环、 速度环和位置环的多环闭环控制系统，其控制系统结构如图1 2 所示。 图1 2 伺服驱动器控制系统结构 伺服驱动器的三环控制系统从内到外依次是电流环、速度环、位置环。 1 电流环：电流环的输入是速度环p i d 调节后的那个输出，电流环输入和电 流反馈值进行比较后的差值在电流环内做p i d 调节输出给电机，电流环的输出就 是电机的每相的相电流，电流环的反馈值是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件 ( 磁场感应变为电流电压信号) 检测到的电流值。电流坏的p i d 常数一般都是在 驱动器内部设定好的，操作使用者不需要更改。 4 江苏大学硕士学位论文 2 速度环：速度环的输入是位置环p i d 调节后的输出以及位置设定的前馈值， 速度环输入值和速度环反馈值进行比较后的差值在速度环做调节后输出就是电 流环的输入值。速度环主要进行p i ( 比例和积分) ，比例就是增益，所以我们要 对速度增益和速度积分时间常数进行合适的调节才能达到理想效果。速度环的反 馈来自于编码器的反馈后的值经过速度运算器得到的。 3 位置环：位置环的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和 电子齿轮计算后作为位置环的输入值，输入值和来自编码器反馈的脉冲信号经过 偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的p i d 调节( 比例增益调节，无积分微 分环节) 后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了速度环的输入，位置环的 反馈也来自于编码器的脉冲信号。 伺服系统工作原理是：速度指令和速度反馈信号在速度控制器输入端进行比 较，速度控制器的输出信号为电流指令信号，交流电流指令与电流反馈信号比较 好，差值送入电流控制器。依靠电流控制回路的高速跟踪能力，是在电机定子电 枢绕组中产生出波形与交流电流相似的正弦电流，该电流与永磁体相互作用产生 电磁转矩，驱动电机运转。 1 4 本文的主要研究工作 本文以多功能信封机传动系统改造为基础，主要进信封机控制系统的设计， 主要包括多轴同步控制功能，流程检测功能以及上位机监控画面。重点在于多轴 同步控制系统的硬件设计以及相关控制算法的研究。 课题研究分为四个阶段进行：第一阶段收集相关资料，完成项目前期的调研 工作，主要包括国内外在该领域现有的发展现状与技术水平。第二阶段根据控制 要求进行电气系统设计，包括多轴同步系统平台设计以及p r o f i b u s 网络组建。 第三阶段根据系统要求进行控制软件设计，研究传动系统同步控制算法，提高同 步精度。第四阶段电气系统与机械系统结合进行现场调试。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章信封包装流水线简介 2 1 多功能信封机概述 多功能信封机是一种高效率的、自动化程度较高的制作各类信封的专用设 备，它可以在一台机器上完成整个信封的包装工序，主要包括输纸、开窗、贴膜、 压易撕线、预涂口胶、涂自贴胶、贴纸、烘干、折叠等工艺环节，并具有堵纸检 测，成品计数、自动打包等功能。 2 1 1 机械结构 多功能信封机是由多个具有不同功能的机械单元组成的联体机，主要包括输 纸单元、压痕单元、横折单元、贴胶单元、封舌及收集单元，机械结构如图2 1 所示。 f ll 2 1 2 信封包装工艺流程 眶痕单元横折单元贴胶单元封舌及收集单元 图2 1 多功能信封机机械结构图 全自动信封包装机是一个对速度同步性能要求较高的多动力驱动的协调控 制系统，其工艺流程如下： 给纸一纵压痕一横压痕一涂窗口胶一贴膜一边角折叠一边角上胶一第一横 折一横叠一涂口胶式涂自粘胶一贴纸一烘干一第二横折一收集一预置分组。 6 无 十l 觯输 江苏大学硕士学位论文 2 2 信封机控制系统硬件设计 2 2 1 控制系统硬件结构 多功能信封机是一种多动力驱动的、高效率的信封包装设备，要在一台机器 上实现所有的信封包装工序，其控制系统主要包括主控单元、多电机同步控制单 元、流程检测单元、p c 机、触摸屏以及远程操作台等。通信网络采用基于 p r o f i b u s d p 的主从式结构，系统结构如图2 2 所示。 图2 2 控制系统结构图 主控单元主要包括p l c ( 型号为c p u 31 4 c 2 d p ) 与f m 3 5 0 一l 高速计数模块， 其中p l c 作为系统的d p 主站，与计数模块结合实现系统的各种控制功能，主要 包括控制逻辑与算法的实现，电机转速采集以及从站数据的读取等。多电机同步 控制单元由交流伺服系统组成，伺服电机分别安装在信封机五个单元的传动辊轴 上，驱动辊轴运转，通过对电机的同步控制来实现多轴的同步控制。流程检测单 元由多个高灵敏度的光电传感器组成，用于信封包装过程中的堵纸故障检测以及 成品计数打包等功能。远程操作台由安装在包装机上的三个远程操作面板组成， 用于系统的启停、加减速等操作，为了减少系统的布线以及抗干扰性，所以远程 7 江苏大学硕士学位论文 操作台的i 0 信号和流程检测单元都通过e t 2 0 0 ( 分布式i o ) 与c p u 通信。上 位机监控单元主要由触摸屏和p c 机组成，其中触摸屏与p l c 的通信采用m p i 的方式，主要用来进行工艺参数的设置与生产状态的监控。p c 机作为2 类d p 主站则通过p r o f i b u s 通信卡c p 5 6 11 连接到p r o f i b u s d p 网络，p c 机上装 有s t e p 7 软件，主要用来进行控制系统的组态、控制程序的设计等。 2 2 2 西门子c p u 3 1 4 c 2 d p s i m a n t i cc p u 3 1 4 c - 2 d pp l c 是一种通用性的、紧凑型p l c ，它集成数字量和 模拟量输入输出以及p r o f i b u sd p 主站从站接口，c p u 3 1 4 c - 2 d p 具有以下集成 功能： ( 1 ) 计数器：4 个计数器( 最高6 0 k h z ) ，具有独立方向的比较器，可直接连 接到2 4 v 增量编码器。 ( 2 ) 4 通道频率测量：允许进行频率测量( 高达6 0k h z ) ，例如，测量轴速 或吞吐量( 每个测量周期内的件数) 。 ( 3 ) 脉宽调制：c p u 3 1 4 - 2 d p 集成4 路完全独立最高2 5 k h z 的脉冲输出，可设 置周期长度并可在运行时修改占空比。对脉冲周期和宽度的设置( 即p 1 】i m 脉宽调制 功能) ，可用于控制步进电机或者伺服电机等。 2 2 3f m 3 5 0 1 计数模块 f m 3 5 0 - 1 是智能化的单通道高速计数模块，其作用与紧凑型c p u 集成的计 数器基本相同，但处理速度更快，最高计数频率可达5 0 0 k h z ，模块可以连接单 通道9 0 0 相位差脉冲或者脉冲加方向的计数输入，完成计数( 包括脉冲倍频、连 续计数、单循环计数、周期计数等) 与测量( 频率、转速、周期) 等功能。 与紧凑型c p u 模块集成的计数器相比，f m 3 5 0 - 1 计数模块有以下优越功能： ( 1 ) 计数信号类型：f m 3 5 0 - 1 计数模块可以接受三相、对称线驱动差分输出 或三相晶体管驱动的增量式脉冲编码器信号，信号电压可以是d c s v 或者d c 2 4 v 。 ( 2 ) 计数范围与频率：f m 3 5 0 1 的计数范围为o 2 3 2 _ 1 或者一2 3 1 + ( 2 3 1 - i ) 。 ( 3 ) 功能：f m 3 5 0 - 1 模块除了可以进行高速计数外，还可以在同步控制模式 与测量模式下工作。 8 江苏太学硕士学位论吏 ( 4 ) i 0 拄制信号：除了计数输入外，模块还可以连接3 点开关量输入端 用阻控制计数器的启动、停l e 与计数锁存等外部控制信号。 2 2 4m e c a p l o n 交流伺服系统 多轴同步控制系统由多套m e c a p i o n 交流伺服系统组成，主要包括伺服驱 动器和伺服电机，伺服电机安装于机械辊轴上作为信封机的驱动设备各伺服驱 动器通过c n i 接口接收上位机的命令来实现多台伺服电机的同步运转。在信封 机安装调试之前，我们在实验室措建了多轴同步控制实验平台，交流伺服控制系 统如图23 和图2 4 所示。 图2 3 交流伺服驱动器幽2 4 交流伺服电机 m e c a p i o n 公司a p d v s 系列伺服驱动嚣是一种高性能数字伺服驱动器， 可用于多种运动控制系统，能够实现速度、位置和扭矩控制。 1 驱动器c n l 端f 1 相关引脚说明 c n l 端口是伺服驱动器的控制端口，伺服驱动器通过c n 1 端口的不同引脚 接收柬自外部的丌关量控制信号，例如操作方式选择，命令输入等。通过对不同 引脚的控制组合可以实现不同的功能。m e c a p i o n 驱动器的c n | 端口共有5 0 个引脚，表2 1 对本课题中需要用到的部分引脚进行了说明。 江苏大学硕士学位论文 表2 1 驱动器c n l 端子部分引脚说明 引脚号名称功能 5 0+ 2 4 v i n 输入+ 2 4 v 】电源 1 5p c l e a r 输入脉冲清除 1 7 a l m r s t报警重设 1 8e m g紧急停车 4 7s v o n 伺服操作 4 8 s t o p 马达停止 2 7s p d c o m模拟速度命令 8g n d 模拟信号地线 9p f + 线驱动器( 5 v ) ：f + 脉冲输入 线驱动器( 5 v ) ：f 脉冲输入 1 0p f - 集电极开路( 2 4 v ) ：f 脉冲输入 l lp r + 线驱动器( 5 v ) ：l h 脉冲输入 线驱动器( 5 v ) ：r 脉冲输入 1 2p r 集电极开路( 2 4 v ) ：r 脉冲输入 4 9p u l c o m集电极开路( 2 4 v ) ：+ 2 4 v 电源输入 3 2a o 3 3a o 通过在 p e 5 0 1 菜单上设置值来划分编码器信号 3 0b o( 5 v 差分信号) 3 1b o 4z o 通过电动机的编码器z 信号输出 5z o ( 5 v 差分信号) 3o p c z o通过电动机的编码器z 信号输出 3 6g n d ( 集电极开路) m e c a p i o n 伺服驱动器共有三种工作模式：位置模式、速度模式和扭矩模 | ：嚣_ 微一燃蠹净 黼一嚣h 嚣k m ； 位置控速度控 ! 位篱命令 i 脉冲命型 位置控。 ：速度控i l 当时摔；_ 、 ：制器制器一脉冲转换+ i i 制器r 一制器厂 制器； 1 j ：、j；。jl ：l 一。一 l 一j l 一一j ：、， ： i ： t ： 告、 i：了7 ( 2 ) 速度模式：由伺服命令操作即模拟命令或数字速度命令，其原理如2 6 l o 江苏大学硕士学位论文 所示。 图2 6 速度操作模式 ( 3 ) 扭矩模式：通过扭矩命令操作伺服系统，其原理如图2 7 所示。 图2 7 扭矩操作模式 3 驱动器通信方式 由于驱动器安装在电气控制柜内部，当操作人员需要了解或者改变驱动器参 数时就需要要打开电气柜，这种操作方式不仅繁琐而且也容易产生安全问题，为 了能够方便操作人员实时地了解各驱动器的运行状态或者修改控制参数，在本课 题研究中需要构建一个伺服驱动器数字化通讯网络。m e c a p i o n 驱动器与上位 机之间通信可以采用r s 4 8 5 方式，在系统通信量较大或者对实时性要求较高时 驱动器可以通过插接r s 4 8 5 p r o f i b u s 转换模块与上位机实现高速p r o f i b u s 通讯，组网方式如图2 8 和图2 9 所示。 驱动器l驱动器2驱动器3驱动器n 图2 8r s 4 8 5 通信方式 江苏大学硕士学位论文 图2 9p r o f i b i j s 通信方式 4 驱动器相关参数设置 伺服驱动器的参数用于设定驱动器的控制特性，控制性能的优劣往往取决于 控制参数的设置，相关参数说明如下： ( 1 ) 惯量比 p e 3 0 1 】 惯量比时根据机器系统通过计算负载惯量来设置，并根据马达规格表来计算 马达的惯量比。对于负载来说设置惯量比是对伺服运转非常重要的控制变量，因 此，精确地惯量比的设置将是伺服最佳运转的要求。 ( 2 ) 速度控制增量 图2 1 0 速度控制增量原理 速度命令：使用从外部输入通过模拟速度命令过滤器作为速度命令的模拟 速度信号或者使用设置在内部菜单上的以【r m i n 】为单位的数字速度命令。 当前速度：通过编码器信号计算运转速度，并过滤其为电流速度。此时， 1 2 江苏大学硕士学位论文 通过驱动器内置的运算法则使用电流扭矩和惯量的跟随速度，目的是补偿在低速 运转时的速度误差。 速度整体增量 p e 3 0 9 ：找到速度误差的整体值，其是命令和电流速度之 间的区别，并通过整体增加将其转化为扭矩命令。如果我们减少整体增量，跟踪 速度特性就会被提高，就像额外响应特性被提高一样。但是，如果太小，就会发 生过头。如果太大，额外响应特征就会变坏。 速度比例增量 p e 3 0 7 ：通过由速度比例增量增加速度误差转化为转矩命 令，较大的值能够带来良好的速度响应，但太大容易导致振动。小值可能会带来 不良速度响应。 速度反馈过滤器r p e 3 1 2 】：如果电机振动是由于操作系统的振动和由于增 量的应用负载有太大的惯量，可通过应用过滤器到速度反馈控制振动。此时，过 大值会降低速度响应导致控制性能下降。 零速度增量 p e 3 1 3 ：当使用速度反馈增量控制振动时，系统可能由于阻 止振动变得不稳定，此时，设置零速度增量来调整控制振动。 ( 3 ) 电子齿轮比设置 电子齿轮比是反映“位置命令输入脉冲”和“编码器脉冲 关系的一个参数。 电子齿轮可以用来任意的设置每个单位指令脉冲对应的电机速度和位移量( 脉冲 当量) ，即：驱动器接收一个命令脉冲后输出地编码器脉冲数。当上位控制器的 脉冲发生器能力( 最高输出频率) 不足以获得所需速度时，可以用电子齿轮功能 ( 指令脉冲倍频) 来对指令脉冲做倍频调整，由于c p u 3 1 4 c 一2 d p 型p l c 输出脉冲 频率最高只用2 5 k h z ，由于系统要求电机的最高转速为1 0 0 0 r p m ，2 5 k h z 的脉冲 频就无法达到控制要求，此时需要通过设置驱动器的电子齿轮比来对输入脉冲进 行倍频调整。本系统中所用伺服电机的编码器脉冲是2 5 0 0 线的，即电机旋转一 圈编码器输出2 5 0 0 个脉冲，为了达到高精度要求，伺服系统会对编码器信号进 行四倍频操作，也就是说电机旋转一周实际输出的脉冲数是1 0 0 0 0 ，伺服电机的 转速计算公式为： v ：鱼q 兰丝兰 ( 2 1 ) 2 5 0 0 4 其中，v 为电机转速( 单位为r p m ) ，n 为伺服驱动器电子齿轮比，f 为输入脉 冲频率。为了达到转速范围要求，我们将电子齿轮比设为1 0 0 ，这样电机的最高 1 3 江苏大学硕士学位论文 转速就可以达到1 5 0 0 r p m 。 5 驱动器命令输入方式 为了提高控制精度，j m 过 p e - 6 0 1 菜单将伺服驱动器工作模式设置成位置模 式，命令输入方式为脉冲，接线方式如图2 1 1 所示。 上位机俐服驱动器 + 2 4 v 1 p u l c o m g n d 2 4 山 i 章【pf- k： 。一 p r 。 57k ik 、 g n d 2 4 上_ j 2 2 5p c 机与触摸屏 图2 1 l 驱动器脉冲输入接线方式 p c 机作为上位机，安装有s t e p 7 编程软件，用于进行系统组态、控制程序 的编写与下载。触摸屏是安装在工业现场的人机接口，用于现场操作人员与控制 系统之间交互信息，操作人员不仅可以在触摸屏上进行相关生产参数、控制参数 的设定，而且各种生产状态信息、现场设备( 例如：p l c 、伺服驱动器、传感器) 的运行状态以及故障报警信息都可以通过触摸屏直观的显示出来。 2 2 6 现场操作台与流程检测单元 现场操作台由安装在设备前端、中端和后端的3 个操作台组成，操作台上安 装了多个按钮，功能主要包括包装机的启动、停止、加速、减速、紧急停车以及 匀胶机和气泵等辅助设备的启动停止等操作，实物图如图2 1 2 所示。 流程检测单元包括堵纸故障检测单元和成品计数单元。堵纸是信封包装过程 中比较容易发生的故障，堵纸故障不仅会影响正常的生产进度，而且频繁的发生 堵纸故障也会造成纸张的浪费，提高了企业的生产成本。所以需要设计相应的堵 纸检测单元，在发生堵纸故障时能够使系统自动停机，减少纸张浪费。本系统设 计的堵纸故障检测单元由四个安装在设备不同部位的高灵敏度光电传感器组成， 光电传感器检测探头如图2 1 3 所示，当信封经过光电传感器下方时会产生开关 量信号输送给p l c 。成品计数单元由一个高灵敏度光电传感器和电磁铁组成，在 1 4 江苏大学硕士学位论文 生产过程中p l c 通过光电传感器对信封成品进行计数，信封成品数量达到某一 个数值时就会触发电磁铁动作，击出一枚信封作为打包标记，方便工人进行信封 打包。这一数值可以由触摸屏设定。 图21 2 现场操作台实物图 一 图21 3 光电传感器实物安装目 江苏大学硕士学位论文 第三章p r o f i b u s 工业现场总线 现场总线控制系统( f c s ) 是现代化自动控制系统发展的主流，是继集散控 制系统( d c s ) 之后的新一代控制系统，现场总线是安装在工业现场，实现主控 单元与控制装置、驱动设备互连的数字式、串行、多点通信总线，它可以将大型、 采用多种控制器的设备或生产线连接成一个统一的整体川。 3 1p r o f l b u s 总线概述 p r o f i b u s 是一种颇具影响力的工业现场总线技术，已被纳入现场总线的国 际标准i e c6 11 5 8 和e n5 0 1 7 0 。由于p r o f i b u s 是一种与制造无关的、开放式的现 场总线，因此广泛地应用于加工制造、过程控制和楼宇自动化，是一种较为成熟 的现场总线标准，它可使分散的数字化控制器从现场到车间级网络化，实现对设 备的远程控制【引。 3 2p r o f i b u s 总线的协议类型 p r o f i b u s 协议利用了现有的国家标准和国际标准，基于符合i s o 标准的o s i 参考模型，i s o o s i 通信标准模型由7 层组成，可以分为两类：一类包含面向用户 的第5 层至第7 层，令一类包含面向网络的第1 层至第4 层。p r o f i b u s 协议采用参考 模型的第l 层、第2 层和第7 层。 p r o f i b u s 主要有3 种不同版本的通信协议【9 】：p r o f i b u s - d p ( 分布式外部设 备) ，p r o f i b u s p a ( 过程自动化) 和p r o f i b u s - f m s ( 现场总线报文规范) 。 p r o f i b u s - d p 是一种经过优化的高速、廉价的通信连接，适合于控制系统( 如 p l c ) 与现场分布式设备( 如西门子的e t 2 0 0 、驱动器等) 设备之间的通信。主站 之间的通信为令牌方式，主站与从站之间通信为主从方式。 p r o f i b u s - f m s 主要用于系统级和车间级的不同供货商的自动化系统之间的 数据传输，处理单元级( p l c 和p c ) 的多主站数据通信。 p r o f i b u s - p a 用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，由于 它采用了描述现场设备特性的p a 行规，确保了本质安全和通过总线对现场设备供 1 6 江苏大学硕士学位论文 电，可以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。 3 3p r o f i b u s 的物理层 p r o f i b u s 可以使用多种通信媒体( 电、光、红外、导轨以及混合方式) ，传 输速率为9 6 k b i t s - - 一1 2 m b i t s 。使用屏蔽双绞线时最常的通信距离为9 6 k m ，使 用光纤时最长9 0 k m 。p r o f i b u s 主要有3 种比较常用的数据传输类型：用于d p 和f m s 的r s 一4 8 5 传输，用于p a 的i e c6 1 1 5 8 - 2 传输，光纤最多可力1 ：1 4 台中继器。 3 4p r o n b u s d p 协议 在p r o f i b u s 现场总线中，p r o f i b u s - d p 是应用最广的一种通信协议。典型的 d p 组态是单主站结构，d p 主站与d p 从站之间的通信基于主从原则，主站周期地读 取从站的输入数据信息，并周期地向从站发出输出信息，d p 主站通过使用轮询列 表可以连续的寻址所有d p 从站。无论用户的数据内容是什么，d p 主站连续地循环 地和d p 从站交换数据，图3 1 描述了主站对从站的轮询机制。 ! 一。一一一一一。一。! j 输出数据 请求 输出数据 从站a： 响应 从站a 输入数据 输入数据 输出数据 轮 从站b 输入数据 询 列 表 输出数据 从站x 输入数据 输出数据 请求 输出数据 从站y i 响j 藏 从站y 输入数据输入数据 t i d p 主站 图3 1d p 主站对轮询列表的处理 1 7 江苏大学硕士学位论文 3 5p r o f i b u s d p 的设备类型 p r o f i b u s - d p 可以分成以下3 种不同的设备类型