伺服電機傳動方式(無軸傳動印刷機多伺服電機控制系統的同步需求)

單元式卷筒紙印刷機通常由進紙單元，印刷單元，張緊單元，處理單元和復卷單元組成。在傳統的軸驅動式印刷機中，電源由異步電動機通過皮帶輪驅動，以驅動機械長軸（約10-20m），然后驅動齒輪，凸輪，連桿和其他傳動元件。為了完成機器的輸入和輸出工作，傳動元件驅動機器的運行元件。

卷筒紙印刷機需要300m/min的印刷速度和≤0.03mm的套印精度，并且每個單元的定位精度需要≤0.03mm才能滿足套印精度。在印刷機的印刷過程中，要求每個單位軸與機械主軸保持恒定的同步運動關系，而每個單位軸之間的同步關系是否得到良好實現，直接影響印刷速度和套印精度。其中，進紙器和打印單元的要求與主軸的轉速成正比，張緊單元根據打印速度調整張緊系數。處理單元必須保持凸輪與凸輪的運動關系。重繞器的運動規律取決于要求，并且隨著紙卷直徑的增加而減小。

如圖1所示，以機器的主軸為主軸（參考軸），以每個打印單元軸為從動軸。每個從動軸和主軸具有同步關系θ1=f1（θ），θ2=f2（θ），θ3=f3（θ）.其中θ是主軸的位置和旋轉角度θ1 θ2，θ3·主軸的位置和旋轉角度。血液同軸。

圖1主動軸和從動軸之間的同步關系

控制系統設計

考慮到印刷機復雜的同步運動關系，高套印精度，多個印刷設備，分散化，多個工作分站，較長的印刷生產線等因素，采用完全分散的全數字和完全開放的現場總線控制系統FCS。總線選擇選擇CAN總線。

為了實現每個打印設備的復雜同步關系，每個電機的主控制器和伺服驅動器都連接到CAN總線，以打印機控制器為核心形成一個CAN現場總線系統。在圖2中。

控制器和伺服驅動器配有CAN總線控制器SJA1000和收發器PCA82C250通信適配器卡。通過連接到打印機控制器的CAN通信適配器卡，控制器可以輕松快速地相互通信。每個伺服單元的命令和定位，實時獲取每個伺服電機的狀態信息，根據需要實時修改伺服參數，每個伺服單元可以通過CAN總線及時交換數據。每個伺服驅動器在接收到自己的位置參考命令后都會緊緊跟隨位置命令。由于控制器的位置命令直接輸入到每個伺服驅動器，因此每個伺服驅動器都會獲得不受其他因素影響的同步運動控制命令，也就是說，伺服單元不受其他伺服單元的干擾影響。在該系統中，控制器和每個伺服驅動器均充當形成CAN控制網絡的網絡節點。同時，它使用現場總線控制系統，因此可以根據打印規模擴展網絡節點的數量。

圖2同步控制系統圖

編碼器和伺服電機的選擇

在大慣性負載打印系統中，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，負載慣性矩很大，柔版印刷單元為0.13 kg m2，膠版印刷單元的最大慣性矩為0.33 kg m2。

由于考慮到負載的慣性較大，系統的定位精度要求≤0.03mm，因此控制周期設置為2ms，位置環的穩態誤差要求為±1。脈沖。根據定位精度和穩態誤差，編碼器行數可以轉換為17000行，但是在實際打印過程中，必須不斷調整不同單元的位置。如果編碼器分辨率為17000行，則由于調整打印輥時設備的慣性矩較大，因此會產生較大的角加速度，從而導致較大的扭矩。例如，對于膠印設備，如果調整后的角加速度超過700 rad/s2，并且調整后的轉矩超過200 N m，則通用電動機將無法滿足要求。

綜合考慮，編碼器分辨率選擇為40,000行，因此在調節過程中電動機的調節加速度減小，并且調節扭矩減小。例如，在具有最大負載慣量的膠版印刷設備中，調整后的角加速度為78.6 rad/s2，調整后的轉矩為26 N m。開啟電氣公司的90M系列伺服電機可以完全滿足您的要求。

時鐘同步機制

在分布式無軸變速器同步控制系統中，每個打印設備必須以集成且協調的方式工作，因此每個打印設備必須具有集成的時間系統以協調工作并完成打印作業。

特定的時鐘同步實現方法分為硬件時鐘同步，同步消息定時同步和協議定時同步。

（1）硬件時鐘同步。硬件時鐘同步是指使用某些硬件功能（例如gps接收器，UTC接收器，專用時鐘信號線等）的本地時鐘之間的同步，并且操作對象是計算機的硬件時鐘。硬件同步可以實現很高的同步精度（通常為10-9秒到10-6秒）。

（2）同步消息定時同步。在每個通信周期的開始，主站以廣播的形式發送同步消息。例如，在SERCOS協議數據傳輸層中，每個SERCOS通信周期的開始由主戰場發送的同步消息MST指示。 MST中的數據字段非常短，僅占用1個字節。 MST消息的同步精度非常高，如果使用光纜作為傳輸介質，則同步精度可以在4微秒內。

（3）合同時間同步。協議時間服務也稱為軟件時間服務，這意味著使用網絡通過網絡將主時鐘源發送到其他子系統，以實現整個系統的時間同步。可以通過計算從發送主時鐘信息到目標節點接收到該信息并產生中斷之間的時間差來獲得延遲時間。然后通過延遲補償實現時間同步。軟件時間服務成本較低，但由于網絡上同步信息的傳輸具有較大的延遲和較大的不確定性，因此時間服務的準確性較低（通常為10-6秒至10-3秒）。

綜合考慮本文中的時鐘同步方法后，將使用硬件時鐘同步，并且每個節點都會根據分配給系統的主時鐘來調整其時鐘。具體的實現方法如下：通過添加硬件時鐘同步信號線CONCLK來發送的時間同步信號，同步控制信號的周期為2ms，并且將同步信號的上升沿用作同步點。在控制器上設置一個同步信號發生器，并在每個驅動器內部設置一個同步接收設備。在驅動程序從站的同步接收設備檢測到主CONCLK的上升沿之后，每個從站的時鐘會同時被清除。這種周期性的刪除不僅保持了每個從站的時鐘一致性，而且還防止了同步錯誤的積累。為了改善模塊同步信號的抗干擾功能，使用平衡差分驅動模式傳輸同步信號。使用光耦合器隔離可確保來自主站和從站的信號不會相互干擾。主從同步信號電路如圖3所示。

圖3主站和從站同步信號電路圖

上位機同步運動數據的產生

同步運動數據生成工作放置在由北京首科凱奇電氣技術有限公司開發的軟plc-ComacPLC系統中。該公司的軟PLC系統，硬件系統使用工業計算機平臺，而操作系統使用Microsoft發布的WinCE嵌入式操作系統。在該軟PLC系統中，設置了高速邏輯任務和慢速邏輯任務，并且在需要大量時間（例如緊急處理和高精度采樣）的情況下使用高速邏輯，并且主要使用慢速邏輯任務在正常時間。要求。如果高。高速邏輯任務是需要定期運行的任務（類似于中斷服務例程）。該任務必須在系統采樣期內執行。緩慢的邏輯任務是一個無限循環，可以在多個系統采樣中完成。期間[2]。高速邏輯任務由定時控制器8254定時，定時周期為1毫秒。在執行過程中，每個采樣周期執行一次快速邏輯任務，并生成同步運動數據。設置運動參考數據源，以虛擬化主軸的運動狀態，以保持每個從軸與主軸的同步關系。在每個系統采樣周期中，根據虛擬主動軸的運行狀態和每個從動軸的同步運行要求，分別計算每個從動軸的位置信息，并生成每個從動軸的同步運動數據。然后將其放入CAN控制器中，等待發送隊列的發送隊列，如圖4所示。為了確保運動數據的實時性能，將運動數據的生成和計算置于快速邏輯任務中。

圖4同步運動數據創建

同步接口技術協議

該系統的總線傳輸速率設置為1Mbps，位傳輸時間τbit為1×10-6秒。每個數據幀由8個字節組成，傳輸的消息數據幀的長度固定為131位（29位標識符），反饋消息的長度為99位。數據幀傳輸時間Cm=131μs。同步控制信號線（CONCLK）用作同步周期信號線和消息的參考信號線。同步控制信號的周期為2ms，高電平有效，信號電平寬度為10。在正常通信期間，CAN網絡可以在一個控制周期內發送16條同步數據消息。控制器在CONCLK沿之后的50μs內發送命令消息，驅動器在接收到命令消息后100μs內發送反饋消息。命令消息的內容包括位置命令值和邏輯接口信號輸入，位置命令占4個字節（32位），邏輯接口信號輸入占1個字節。邏輯接口信號輸入包括命令，例如驅動器使能和復位。反饋消息中的通信順序包括伺服運行狀態信息和錯誤信息，如圖5所示。

圖5通訊序列圖

結束語

根據傳統的機械長軸印刷機同步控制系統，本文提出了一種以控制器為核心的現場總線控制系統，并利用CAN現場總線來實現控制器與伺服器之間的通訊。該解決方案不僅克服了傳統機械長軸控制方案中各種機械部件的缺點，而且具有同步性能好，伺服單元之間無相互干擾，控制精度高，維護方便的優點。

這種同步方法的特點是使用CAN總線，具有可靠性高，傳輸時間短，抗干擾性強，數字伺服器的定位精度高以及完全閉環的優點。