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引言：伺服位置控制是工業(yè)自動化領(lǐng)域經(jīng)常遇到的控制需求，過去經(jīng)典的解決方案是用運(yùn)動控制模塊發(fā)送脈沖信號控制步進(jìn)或伺服驅(qū)動系統(tǒng)。但是隨著生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展，伺服驅(qū)動功率越來越大，控制方法也逐步從脈沖控制變?yōu)楦咚偻ㄓ嵖刂啤５し鹚惯\(yùn)動控制器能與驅(qū)動器和各種現(xiàn)場總線通訊卡緊密結(jié)合，為用戶提供了可編程開放式的通訊控制接口，是目前市場上性價(jià)比最高的通用遠(yuǎn)程伺服控制工作站之一。
摘 要：目前生產(chǎn)中用到的較先進(jìn)的伺服控制系統(tǒng)通常采用專用的運(yùn)動控制模塊，加上專用的高速通訊總線，再加上專用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成。但是如果以丹佛斯運(yùn)動控制器作為遠(yuǎn)程伺服控制工作站，則往上能適配市場上幾乎全部主流高速現(xiàn)場總線，即適用于任意上位機(jī)；往下適配任意同步或異步伺服電機(jī)。本文謹(jǐn)以Epsilon SWB 發(fā)泡模機(jī)4軸位置伺服控制為例，介紹了丹佛斯運(yùn)動控制器作為遠(yuǎn)程伺服控制工作站的應(yīng)用辦法和經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞： 伺服控制 現(xiàn)場總線通訊 異步伺服電機(jī) 機(jī)械抱閘控制
一、 Epsilon SWB發(fā)泡模機(jī)運(yùn)動控制要求：
該機(jī)有上模翻轉(zhuǎn)、下模翻轉(zhuǎn)、整體翻轉(zhuǎn)3個(gè)角度位置控制和上模升降一個(gè)垂直位置控制，定位精度要求都很高。其中上模滿載時(shí)重達(dá)半噸。
Epsilon SWB發(fā)泡模機(jī)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
電驅(qū)動必須實(shí)現(xiàn)并滿足如下要求：
1. 發(fā)泡模機(jī)在機(jī)械上為對稱結(jié)構(gòu)，上模升降、下模翻轉(zhuǎn)和整體翻轉(zhuǎn)這三個(gè)基本動作都是由兩邊兩臺電機(jī)同時(shí)驅(qū)動的，電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)型號規(guī)格完全相同。這樣如何使兩臺剛性連接的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩保持一致，是電氣驅(qū)動需要解決的難題之一。
如果使用同步伺服電機(jī)，這將是一個(gè)非常困難的控制要求。可行的辦法為令其中一臺同步伺服電機(jī)作主機(jī)，工作于速度（位置）模式；另一臺同步伺服電機(jī)作輔機(jī)，工作于轉(zhuǎn)矩模式，其轉(zhuǎn)矩給定值為主伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值。
但是如果使用異步伺服電機(jī)，用一臺伺服驅(qū)動器同時(shí)驅(qū)動兩臺電機(jī)，利用異步電機(jī)的固有特性，可以方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，并且轉(zhuǎn)矩輸出一致。右圖為此種運(yùn)行模式時(shí)兩臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，可見輸出轉(zhuǎn)矩的不平衡是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差特性不同造成的，這個(gè)問題可以用選擇相同廠家相同型號電機(jī)的辦法解決，而且最好是選額定轉(zhuǎn)差比較大的異步電機(jī)。
丹佛斯FC302驅(qū)動器能夠同時(shí)帶兩臺異步伺服電機(jī)，作電機(jī)自適應(yīng)時(shí)只要將電機(jī)功率、電機(jī)電流設(shè)為2臺異步伺服電機(jī)的總合就可以了。
2. 機(jī)械抱閘控制
上模非常重，起動時(shí)如果驅(qū)動器和機(jī)械抱閘配合不好，很容易下溜或上沖。
丹佛斯FC302驅(qū)動器內(nèi)置起重設(shè)備專用的機(jī)械抱閘控制輸出，上圖為其動作的時(shí)序圖，電機(jī)起動之初是工作于轉(zhuǎn)矩輸出方式的，在機(jī)械抱閘逐步松開的過程中，電機(jī)控制模式也平滑地從轉(zhuǎn)矩控制模式轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速控制模式。在過渡期間，還可以提升轉(zhuǎn)速控制的PID，有助于進(jìn)一步提高驅(qū)動器的負(fù)載響應(yīng)能力。
3. 下模翻轉(zhuǎn)和整體翻轉(zhuǎn)是通過曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)際機(jī)械角度與電機(jī)角位移是非線性關(guān)系
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圖四、電機(jī)角位移-機(jī)械翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系圖
| 這要靠運(yùn)動控制器內(nèi)部運(yùn)算或用查表插值運(yùn)算的辦法解決。
二、 運(yùn)動控制的高速總線通訊接口程序編制和定義：
現(xiàn)場總線通訊控制在主站和從站之間傳遞預(yù)定字長的過程數(shù)據(jù)，丹佛斯運(yùn)動控制器在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中作為遠(yuǎn)程伺服控制工作站運(yùn)行，控制命令的執(zhí)行和實(shí)際位置、狀態(tài)的反饋全靠過程數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)。為了方便與其他主機(jī)的銜接，在參考了西門子FM系列運(yùn)動控制模塊的控制辦法，再結(jié)合現(xiàn)場總線的控制特點(diǎn)，定義了如下過程數(shù)據(jù)：
表一：過程數(shù)據(jù)PCD定義
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PCD1 |
PCD2 |
PCD3 |
PCD4 |
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寫入 |
控制字 |
速度給定 |
位置給定 |
轉(zhuǎn)矩給定 |
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讀出 |
狀態(tài)字 |
當(dāng)前實(shí)際速度 |
當(dāng)前實(shí)際位置 |
當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)矩 |
其中控制字定義如下：
表二：控制字定義
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位 |
位 = 0 |
位 = 1 |
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0 |
自由運(yùn)行 |
伺服鎖定 |
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1 |
正轉(zhuǎn) |
反轉(zhuǎn) |
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2 |
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點(diǎn)動 |
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3 |
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轉(zhuǎn)速控制模式 |
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4 |
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轉(zhuǎn)矩控制模式 |
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5 |
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相對定位控制模式 |
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6 |
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絕對定位控制模式 |
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7 |
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回零位 |
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8 |
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故障復(fù)位 |
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9 |
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動作完成標(biāo)志清除 |
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10-15 |
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保留 |
狀態(tài)字定義如下：
表三：狀態(tài)字定義
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位 |
位 = 0 |
位 = 1 |
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0 |
無正轉(zhuǎn)限位信號 |
正轉(zhuǎn)限位信號動作 |
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1 |
無反轉(zhuǎn)限位信號 |
反轉(zhuǎn)限位信號動作 |
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2 |
機(jī)械制動抱緊 |
機(jī)械制動釋放 |
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3 |
運(yùn)動過程中 |
動作完成 |
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4 |
驅(qū)動系統(tǒng)正常 |
驅(qū)動系統(tǒng)報(bào)警 |
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5 |
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運(yùn)動控制器控制就緒 |
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6 |
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回零位完成 |
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7-15 |
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保留 |
丹佛斯運(yùn)動控制器是與丹佛斯的FC300系列驅(qū)動器緊密
結(jié)合的，其接口如圖所示：
X55為編碼器2輸入接口，缺省用于連接從電機(jī)編碼器；
X56為編碼器1輸入接口，缺省用于連接主電機(jī)編碼器；
X57為10數(shù)字量輸入接口；
X58為24VDC電源；
X59為8數(shù)字量輸出接口。
丹佛斯運(yùn)動控制器的編程方式
丹佛斯運(yùn)動控制器使用丹佛斯公司開發(fā)的Aposs運(yùn)動控制語言，其編程風(fēng)格模仿C語言，并提供多種便利指令，其界面如下圖所示：
丹佛斯運(yùn)動控制器能提供如下基本功能：
1． 輸入輸出邏輯控制功能；
2． 同步控制功能，電子凸輪；
3． 定位控制功能；
4． 中斷功能，如時(shí)間中斷，I/O中斷等；
5． 基本數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算功能；
……
丹佛斯運(yùn)動控制器支持的高速通訊協(xié)議：
Profibus、CANopen、DeviceNet、Interbus、LonWorks、工業(yè)以太網(wǎng)
……
丹佛斯運(yùn)動控制器程序例（部分）：
//HOME MODE 1
IF (step==16) THEN
homevel = GET HOME_VEL
IF (home_done==0) THEN
servo_on = 1
IF (svon_dlyt.2==1) THEN
IF (homevel>0 AND ls_fwd==0) OR (homevel<0 AND ls_rev==0) THEN
IF (home_dog==1) THEN
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
step = 17
ELSE
ACC 50
CVEL homevel
CSTART
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
IF (home_dog==1) THEN
step = 17
ELSE
step = 18
ENDIF
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
step = 10
ENDIF
ENDIF
四、 主控PLC的編程辦法：
主機(jī)中關(guān)于運(yùn)動控制部分的子程序可以按如下邏輯框圖編程：
程序例：
（略）
使用效果：
系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果非常理想，響應(yīng)速度快、速度平穩(wěn)，完全達(dá)到了控制技術(shù)要求。通用的丹佛斯遠(yuǎn)程控制器達(dá)到了替代專用PLC運(yùn)動控制模塊的作用。FC302的優(yōu)異性能，保障了定位精度。由于自定義的通訊過程數(shù)據(jù)、控制字定義清晰簡潔，主機(jī)控制程序開發(fā)變得更容易了。
結(jié)束語：
使用西門子的PLC加西門子的位置控制模塊，編程會是一個(gè)艱巨而繁復(fù)的工作，但是利用Profibus現(xiàn)場通訊總線直接控制控制丹佛斯的運(yùn)動控制器，將繁復(fù)的程序功能交給遠(yuǎn)程伺服工作站以分布式方式處理，不但可以節(jié)省系統(tǒng)成本，還大大提高了整機(jī)開發(fā)速度，值得在自動化控制領(lǐng)域推廣。
參考文獻(xiàn)
[1] FC300編程指南. MG.33.M4.41. Danfoss A/S. 2008
[2] 運(yùn)動控制器MCO305使用說明. MG.33.K2.02. Danfoss A/S. 2007
[3] 運(yùn)動控制器MCO305設(shè)計(jì)指南. MG.33.L2.02. Danfoss A/S. 2007
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