關(guān)于簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的同步問(wèn)題

王超

摘要：龍門(mén)機(jī)械手、三鼓一次法成型機(jī)的貼合鼓和輔助鼓是橡膠行業(yè)常用設(shè)備，工作時(shí)對(duì)各類(lèi)電機(jī)的同步控制有一定要求。本文通過(guò)分析設(shè)備的工藝流程，結(jié)合羅克韋爾Studio5000軟件來(lái)說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)三種同步控制，得出了伺服實(shí)軸與虛擬軸同步運(yùn)行性能及程序架構(gòu)優(yōu)于伺服實(shí)軸之間同步，伺服電機(jī)與變頻電機(jī)只適用于短時(shí)同步的兩個(gè)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：伺服電機(jī);變頻電機(jī);同步控制

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中各主軸的同步問(wèn)題是調(diào)試一般工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目經(jīng)常遇到的主要問(wèn)題之一，比如，較長(zhǎng)工件跨越兩個(gè)輸送裝置移動(dòng)，或兩部電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)，或軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中多電機(jī)同步運(yùn)行等，這些應(yīng)用場(chǎng)景均需要兩部或多部電機(jī)在運(yùn)行時(shí)做到啟停同步、速度相同、方向相同或相反等，甚至在嚴(yán)格要求下加速度或減速度和加加速或減減速都要相同，對(duì)機(jī)械安裝精度和電機(jī)同步控制產(chǎn)生了一定挑戰(zhàn)。

電機(jī)的同步按電機(jī)類(lèi)型可分為多種同步關(guān)系，如伺服電機(jī)之間同步，伺服電機(jī)與變頻電機(jī)同步，直流電機(jī)與直流電機(jī)同步等，實(shí)際上同步類(lèi)型的數(shù)量與電機(jī)的種類(lèi)多寡成正相關(guān)，可以說(shuō)只要有電機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)景，就會(huì)有同步控制的需求出現(xiàn)。

1 工程概述

由于同步關(guān)系種類(lèi)繁多，本文僅以龍門(mén)機(jī)械手、三鼓一次法成型機(jī)貼合鼓和成型機(jī)輔助鼓三種設(shè)備來(lái)說(shuō)明典型的三種同步控制關(guān)系。龍門(mén)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于工廠內(nèi)部或貨站用于搬運(yùn)重物的行車(chē);三鼓一次法成型機(jī)的貼合鼓和輔助鼓是用于粘貼壓合輪胎各層物料的專(zhuān)用設(shè)備。以上設(shè)備分別代表了伺服電機(jī)與伺服電機(jī)同步，伺服電機(jī)與虛擬軸同步，伺服電機(jī)與變頻電機(jī)同步的關(guān)系。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明不同類(lèi)型的同步控制如何實(shí)現(xiàn)。

2 伺服實(shí)軸之間同步

本文例舉的龍門(mén)機(jī)械手是用于輪胎成品庫(kù)的專(zhuān)用設(shè)備，由于輪胎成品庫(kù)成品胎堆放整齊緊湊，對(duì)抓取輪胎的機(jī)械手有嚴(yán)格的精確定位要求，因此用于驅(qū)動(dòng)龍門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)作的電機(jī)必須使用伺服電機(jī)，防止因定位不精確引起抓胎不穩(wěn)，進(jìn)而出現(xiàn)整摞輪胎歪斜或墜落，產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)或影響后續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)的正常工作。

龍門(mén)機(jī)械手橫梁兩端各安裝一部伺服電機(jī)，將其中一部電機(jī)用作運(yùn)動(dòng)時(shí)的主軸，另一部電機(jī)作為此電機(jī)的從軸。當(dāng)設(shè)備有平移動(dòng)作時(shí)，PLC啟動(dòng)主軸電機(jī)，使其工作在定位或點(diǎn)動(dòng)模式下，同時(shí)給予從軸電機(jī)同步命令，使其工作在同步模式下，這樣從軸電機(jī)在速度、方向和加/減速度等均可“復(fù)制”主軸電機(jī)的動(dòng)作，直到同步命令解除為止。

以羅克韋爾L82 PLC和5700伺服驅(qū)動(dòng)器MAG同步指令為例，指定主軸名稱(chēng)為X1軸（名稱(chēng)須與軸配置名稱(chēng)一致），旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定為0，同步比率設(shè)定為1等。當(dāng)指令使能接通時(shí)從軸X2即可工作在同步模式，按設(shè)定參數(shù)跟隨主軸X1的動(dòng)作。

但此種同步控制在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，受齒輪齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工精度和通訊的影響，兩電機(jī)停止時(shí)位置會(huì)存在一定誤差，且隨運(yùn)動(dòng)次數(shù)的累積逐漸增加，最終造成架體與兩導(dǎo)軌垂度差異過(guò)大，或扭矩超過(guò)正常范圍，引起驅(qū)動(dòng)器頻繁報(bào)警。為消除這一隱患，程序中應(yīng)增加從軸伺服電機(jī)自動(dòng)調(diào)整位置的邏輯，即主軸完成一次動(dòng)作靜止后，判斷主軸和從軸之間絕對(duì)位置誤差，若超出設(shè)定范圍則立即解除同步模式，并啟動(dòng)從軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，低速靠近主軸電機(jī)當(dāng)前位置，直到主從軸位置相同或在誤差范圍內(nèi)。如此，由種種原因造成的累積誤差可以隨時(shí)消除，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 伺服電機(jī)與虛擬軸同步

貼合鼓旋轉(zhuǎn)電機(jī)和運(yùn)帶輸送電機(jī)均為伺服電機(jī)，兩者間的同步是為防止未經(jīng)允許的拉伸情況出現(xiàn)，可由實(shí)軸與實(shí)軸間的同步實(shí)現(xiàn)，但此種做法易使程序繁瑣，且實(shí)軸之間的同步存在從軸跟隨的微小誤差，在運(yùn)帶有物料和對(duì)貼合角度有要求的情況下，無(wú)法通過(guò)自動(dòng)調(diào)整的方式消除，在貼合不含鋼絲的窄料步驟時(shí)易造成拉伸，影響輪胎成品質(zhì)量。

經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)，由虛擬軸作為主軸，貼合鼓旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和各層運(yùn)帶輸送伺服電機(jī)均作為從軸的同步模式，替代實(shí)軸之間的同步模式，被證實(shí)更加的可靠。同步邏輯和參數(shù)計(jì)算只需寫(xiě)入虛擬軸的程序里，從軸程序只保留同步指令和參數(shù)變量。相較于實(shí)軸之間的同步，這種模式極大地精簡(jiǎn)了程序，程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性高;并且需要同步運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)實(shí)際伺服電機(jī)做為從軸同時(shí)啟停，消除了實(shí)軸一主一從因精度和通訊延遲造成的動(dòng)作配合差異，避免物料的額外拉伸情況出現(xiàn)，保證輪胎成品質(zhì)量。

以羅克韋爾L82 PLC和5700伺服驅(qū)動(dòng)器為參考，運(yùn)行studio5000軟件，在Motion group下新建一個(gè)虛擬軸，相關(guān)軸參數(shù)根據(jù)需要配置，同步指令MAG中Master Axis指定為虛擬軸。在不同工步給予虛擬軸不同速度、方向和目標(biāo)位置等參數(shù)，給予貼合鼓旋轉(zhuǎn)電機(jī)和運(yùn)帶電機(jī)各一個(gè)同步命令，使能同步模式，并檢測(cè)從軸電機(jī)同步狀態(tài)，之后使能虛擬軸;預(yù)定動(dòng)作完成后解除從軸同步模式并檢測(cè)，脫離同步模式后方可進(jìn)行下一步動(dòng)作。注意虛擬軸和實(shí)軸運(yùn)算單位的統(tǒng)一，加/減速度保持相同。

4 伺服電機(jī)與變頻電機(jī)同步

成型機(jī)輔助鼓工作原理與貼合鼓類(lèi)似，旋轉(zhuǎn)主軸采用伺服電機(jī)，料架運(yùn)帶前模板可選擇伺服電機(jī)、變頻電機(jī)或無(wú)動(dòng)力輥均可，出于成本控制及精度要求等考慮，輔料架中部及前端模板多數(shù)選用變頻電機(jī)。目前主流工控產(chǎn)品廠商均沒(méi)有直接用于伺服電機(jī)和變頻電機(jī)的同步指令，實(shí)際項(xiàng)目又有這樣的需求，那么就要通過(guò)程序解決，以近似同步狀態(tài)的動(dòng)作控制使兩種電機(jī)的運(yùn)動(dòng)盡量保持同步。

伺服電機(jī)由自帶編碼器反饋位置，變頻電機(jī)由附加編碼器反饋位置，兩者要做到近似同步，速度是關(guān)鍵。在本例中，假設(shè)輔助鼓旋轉(zhuǎn)角速度由配方設(shè)定為10r/min，鼓直徑3050mm，可計(jì)算出輔助鼓當(dāng)前線速度約為84.7mm/s，那么理論上變頻電機(jī)運(yùn)行速度設(shè)置成85mm/s左右即可，如果工藝上需要拉伸物料，可適當(dāng)減小變頻電機(jī)跟隨速度，通過(guò)速度控制使物料在兩裝置間形成張力。

然而，即便變頻電機(jī)與伺服電機(jī)運(yùn)行參數(shù)給定完全相同，實(shí)際工作時(shí)仍然會(huì)有一定誤差，而且隨著時(shí)間或次數(shù)的累積逐漸增大，但因?yàn)樘ヅ鲙鴮痈鲗幼罱K貼合長(zhǎng)度根據(jù)輪胎規(guī)格的不同一般在3.5米以?xún)?nèi)，每一層貼合之后電機(jī)停止，物料準(zhǔn)備到位后再次同步，誤差不會(huì)累積，所以這種短時(shí)間內(nèi)伺服電機(jī)與變頻電機(jī)同步的解決方案運(yùn)用在此類(lèi)場(chǎng)景中是可靠的。

5 總結(jié)

常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的同步都可以通過(guò)以上三種方式實(shí)現(xiàn)，其中伺服電機(jī)實(shí)軸之間的同步可以由運(yùn)行更加可靠、邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰的伺服電機(jī)實(shí)軸與虛擬軸同步的方式代替。伺服電機(jī)與變頻電機(jī)的同步目前只能應(yīng)用精度要求略微寬松的場(chǎng)景，而且時(shí)間上不宜過(guò)長(zhǎng)，誤差可由兩電機(jī)停止并重啟的方式消除，但對(duì)于較長(zhǎng)工件或長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景，此方法并不適用。只要靈活運(yùn)用各品牌PLC的運(yùn)動(dòng)控制指令，積極消除通訊干擾和累積誤差等負(fù)面因素，一般簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制的同步問(wèn)題均可以完美實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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