基于伺服電機(jī)和凸輪分割器同步技術(shù)的研究

周斌

【摘要】文章主要介紹了通過倍福TwinCAT 3.0軟件控制伺服電機(jī)，用編碼器來采取主軸普通三相異步電機(jī)的運(yùn)行軌跡，再將凸輪分割器的凸輪曲線進(jìn)行凸輪耦合，再通過固定耦合點(diǎn)來進(jìn)行同步控制，最終達(dá)到伺服電機(jī)和凸輪分割器的輸出軸的位置耦合控制。

【關(guān)鍵詞】凸輪分割器? 凸輪耦合? 編碼器? TwinCAT 3.0? 伺服控制

一、引言

凸輪分割器，在工程上又稱凸輪分度器、間歇分割器。它是一種高精度的回轉(zhuǎn)裝置，在當(dāng)前自動(dòng)化的要求下，凸輪分度器顯得尤為重要。凸輪分割器廣泛應(yīng)用于制藥機(jī)械、壓力機(jī)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、食品包裝機(jī)械、玻璃機(jī)械、陶瓷機(jī)械、煙草機(jī)械、灌裝機(jī)械、印刷機(jī)械、電子機(jī)械、加工中心自動(dòng)換刀裝置等需要把連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)動(dòng)作的各種自動(dòng)化機(jī)械上。在現(xiàn)有高效率自動(dòng)化的情況下，不僅僅需要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的步進(jìn)動(dòng)作，在其運(yùn)動(dòng)的過程中，還需和其他裝置進(jìn)行同步控制，本文章為實(shí)現(xiàn)這一功能進(jìn)行了初步的研究。

二、系統(tǒng)的總體構(gòu)成

系統(tǒng)主要由倍福Beckhoff的TwinCAT 3.0軟件系統(tǒng)，Beckhoff的工業(yè)PC-C6930控制器，倍加福的EtherCAT總線型編碼器，變頻器，1.5KW三相異步電機(jī)，凸輪分割器等組成。

三、系統(tǒng)的控制流程

①Beckhoff的軟件系統(tǒng)搭建，硬件環(huán)境搭建。②通過控制變頻器來進(jìn)行對(duì)三相異步電機(jī)的控制，可以進(jìn)行速度和加減速度的調(diào)整。③通過總線型編碼器來采樣三相異步電機(jī)的實(shí)時(shí)位置。④通過凸輪表（凸輪曲線）來進(jìn)行軟件的控制。⑤建立虛擬編碼器為主軸，伺服電機(jī)為從軸。⑥通過傳感器的位置來采取編碼器的耦合準(zhǔn)備位置，進(jìn)行耦合。⑦根據(jù)同步耦合的位置采樣偏差，來進(jìn)行耦合點(diǎn)的調(diào)整。

四、軟件部分核心設(shè)計(jì)

（1）軟件平臺(tái)介紹：TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology，基于Windows的控制和自動(dòng)化技術(shù)）自動(dòng)化軟件是控制系統(tǒng)的核心部分。TwinCAT 軟件系統(tǒng)可將任何一個(gè)基于PC 的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶多PLC、NC、CNC 和機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)EtherCAT（用于控制與自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)）具有性能優(yōu)異、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活和組態(tài)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

（2）凸輪分割器的運(yùn)動(dòng)位置采集。凸輪分割器主要構(gòu)成：入力軸（三相異步電機(jī)控制）和出力軸（需要和伺服達(dá)到同步）。入力軸每次完成360°旋轉(zhuǎn)時(shí)，出力軸便同時(shí)完成一次分度活動(dòng)（靜止和轉(zhuǎn)位）。例如：12分割，則代表入力軸完成360°，出力軸則完成30°，而且在一段距離，我們稱為死區(qū)，含義為入力軸運(yùn)動(dòng)，而出力軸停止。我們現(xiàn)在就要采取入力軸的位置信號(hào)，來同步出力軸30°的位置。

圖左是入力軸的位置，也是主軸異步電機(jī)控制的軸，80°位置處為死區(qū)，出力軸是不運(yùn)行。在圖右也能看出，入力軸280度開始，出力軸開始不動(dòng)。

在前面，我們已經(jīng)把編碼器設(shè)置成了虛擬軸，這樣我們可以很方便的知道電機(jī)的當(dāng)前位置，所以我們首先在圖1左處安裝1個(gè)光電傳感器，我們需要采集到當(dāng)入力軸離開死區(qū)，我們采到編碼器當(dāng)前的值，而這個(gè)值的模值就是出力軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)（圖1右0的位置），我們將在此處根據(jù)凸輪耦合點(diǎn)進(jìn)行開始耦合同步。

（3）軟件的設(shè)計(jì)和編寫。我們主要通過電子凸輪的控制方式，電子凸輪就是用軟件和控制器代替機(jī)械凸輪，實(shí)現(xiàn)主軸和從軸之間非線性的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。

和機(jī)械凸輪相比，電子凸輪具有控制精度高、無磨損、故障率低、控制距離遠(yuǎn)、凸輪曲線修改方便等眾多優(yōu)點(diǎn)。本文利用Twin CAT的凸輪表設(shè)計(jì)電子凸輪，實(shí)現(xiàn)了各軸的凸輪耦合及其伺服控制。

首先需要把凸輪分割器的位置，模擬成為電子凸輪表，從而達(dá)到耦合目的。凸輪表的創(chuàng)建基本有2種，方法一，可以選用TwinCAT自帶的Table繪制凸輪表，方法二，可以通過軟件的方式來寫入凸輪表，我們以方法二進(jìn)行舉例：我們先建立凸輪表中的每個(gè)點(diǎn)，先聲明變量為MC_MotionFunctionPoint，接下來我們要對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行賦值，點(diǎn)的參數(shù)FunctionType是對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線的定義，系統(tǒng)提供了24條運(yùn)動(dòng)曲線，5次多項(xiàng)式函數(shù)曲線類型（Automatic）是最靈活的。參數(shù)MasterPos和SlavePos是代表主從軸的位置，PointIndex是代表點(diǎn)的順序。

接下來，我們需要聲明一個(gè)凸輪表的結(jié)構(gòu)體：MC_CAM_REF，需要把點(diǎn)的參數(shù)和點(diǎn)的地址和大小相關(guān)參數(shù)寫入。

然后再次聲明個(gè)功能塊：MC_CamTableSelect，此功能目的是吧凸輪表進(jìn)行裝載，并且定義它的ID。

最后，我們可以聲明耦合功能塊MC_CamIn，填入所需要耦合的主軸（編碼器軸），以及從軸（伺服電機(jī)）。功能塊里面2個(gè)參數(shù)比較關(guān)鍵，StartMode根據(jù)需要選擇，分為相對(duì)耦合和絕對(duì)耦合，選擇不慎很有可能會(huì)導(dǎo)致飛車，需要注意。另外關(guān)鍵參數(shù)Options，我們需要對(duì)2個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，Options. ActivationMode ：=? MC_CAMACTIVATION_ATMASTERAXISPOS ;意思就是選定某一位置進(jìn)行凸輪耦合的模式，再通過Options. ActivationPosition 把耦合的位置值寫入，其實(shí)這個(gè)值我們用傳感器的上升沿已經(jīng)采取到了。寫入即可，耦合結(jié)束。

（4）仿真及結(jié)果調(diào)整。TwinCAT3.0系統(tǒng)自帶示波器監(jiān)測(cè)功能Scope，我們要選擇主軸和從軸，觀察他們的位置曲線，可以判定我們的同步是否準(zhǔn)確，如果發(fā)現(xiàn)某一軸有超前或者滯后的情況，我們只需要把耦合位置的偏差值進(jìn)行修正，即可達(dá)到準(zhǔn)確的耦合。

五、結(jié)語

本文通過一系列方法，將一個(gè)普通的三相異步電機(jī)控制的凸輪分割器，進(jìn)行了位置的完美耦合，可以進(jìn)一步提高了自動(dòng)化的效率，在運(yùn)動(dòng)過程中也能投入運(yùn)行其他功能，可做為其他類似運(yùn)動(dòng)控制的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]易平， 基于四工位轉(zhuǎn)盤凸輪分割器的選型與應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2017.

[2]李偉光，林思引.基于Twin CAT的壓印轉(zhuǎn)移設(shè)備電子凸輪的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2012.