伺服电机传动方式(无轴传动印刷机多伺服电机控制系统的同步需求)

单元式卷筒纸印刷机通常由进纸单元，印刷单元，张紧单元，处理单元和复卷单元组成。在传统的轴驱动式印刷机中，电源由异步电动机通过皮带轮驱动，以驱动机械长轴（约10-20m），然后驱动齿轮，凸轮，连杆和其他传动元件。为了完成机器的输入和输出工作，传动元件驱动机器的运行元件。

卷筒纸印刷机需要300m/min的印刷速度和≤0.03mm的套印精度，并且每个单元的定位精度需要≤0.03mm才能满足套印精度。在印刷机的印刷过程中，要求每个单位轴与机械主轴保持恒定的同步运动关系，而每个单位轴之间的同步关系是否得到良好实现，直接影响印刷速度和套印精度。其中，进纸器和打印单元的要求与主轴的转速成正比，张紧单元根据打印速度调整张紧系数。处理单元必须保持凸轮与凸轮的运动关系。重绕器的运动规律取决于要求，并且随着纸卷直径的增加而减小。

如图1所示，以机器的主轴为主轴（参考轴），以每个打印单元轴为从动轴。每个从动轴和主轴具有同步关系θ1=f1（θ），θ2=f2（θ），θ3=f3（θ）.其中θ是主轴的位置和旋转角度θ1 θ2，θ3·主轴的位置和旋转角度。血液同轴。

图1主动轴和从动轴之间的同步关系

控制系统设计

考虑到印刷机复杂的同步运动关系，高套印精度，多个印刷设备，分散化，多个工作分站，较长的印刷生产线等因素，采用完全分散的全数字和完全开放的现场总线控制系统FCS。总线选择选择CAN总线。

为了实现每个打印设备的复杂同步关系，每个电机的主控制器和伺服驱动器都连接到CAN总线，以打印机控制器为核心形成一个CAN现场总线系统。在图2中。

控制器和伺服驱动器配有CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C250通信适配器卡。通过连接到打印机控制器的CAN通信适配器卡，控制器可以轻松快速地相互通信。每个伺服单元的命令和定位，实时获取每个伺服电机的状态信息，根据需要实时修改伺服参数，每个伺服单元可以通过CAN总线及时交换数据。每个伺服驱动器在接收到自己的位置参考命令后都会紧紧跟随位置命令。由于控制器的位置命令直接输入到每个伺服驱动器，因此每个伺服驱动器都会获得不受其他因素影响的同步运动控制命令，也就是说，伺服单元不受其他伺服单元的干扰影响。在该系统中，控制器和每个伺服驱动器均充当形成CAN控制网络的网络节点。同时，它使用现场总线控制系统，因此可以根据打印规模扩展网络节点的数量。

图2同步控制系统图

编码器和伺服电机的选择

在大惯性负载打印系统中，编码器和伺服系统的选择尤为重要。以BF4250卷筒纸印刷机为例，负载惯性矩很大，柔版印刷单元为0.13 kg m2，胶版印刷单元的最大惯性矩为0.33 kg m2。

由于考虑到负载的惯性较大，系统的定位精度要求≤0.03mm，因此控制周期设置为2ms，位置环的稳态误差要求为±1。脉冲。根据定位精度和稳态误差，编码器行数可以转换为17000行，但是在实际打印过程中，必须不断调整不同单元的位置。如果编码器分辨率为17000行，则由于调整打印辊时设备的惯性矩较大，因此会产生较大的角加速度，从而导致较大的扭矩。例如，对于胶印设备，如果调整后的角加速度超过700 rad/s2，并且调整后的转矩超过200 N m，则通用电动机将无法满足要求。

综合考虑，编码器分辨率选择为40,000行，因此在调节过程中电动机的调节加速度减小，并且调节扭矩减小。例如，在具有最大负载惯量的胶版印刷设备中，调整后的角加速度为78.6 rad/s2，调整后的转矩为26 N m。开启电气公司的90M系列伺服电机可以完全满足您的要求。

时钟同步机制

在分布式无轴变速器同步控制系统中，每个打印设备必须以集成且协调的方式工作，因此每个打印设备必须具有集成的时间系统以协调工作并完成打印作业。

特定的时钟同步实现方法分为硬件时钟同步，同步消息定时同步和协议定时同步。

（1）硬件时钟同步。硬件时钟同步是指使用某些硬件功能（例如gps接收器，UTC接收器，专用时钟信号线等）的本地时钟之间的同步，并且操作对象是计算机的硬件时钟。硬件同步可以实现很高的同步精度（通常为10-9秒到10-6秒）。

（2）同步消息定时同步。在每个通信周期的开始，主站以广播的形式发送同步消息。例如，在SERCOS协议数据传输层中，每个SERCOS通信周期的开始由主战场发送的同步消息MST指示。 MST中的数据字段非常短，仅占用1个字节。 MST消息的同步精度非常高，如果使用光缆作为传输介质，则同步精度可以在4微秒内。

（3）合同时间同步。协议时间服务也称为软件时间服务，这意味着使用网络通过网络将主时钟源发送到其他子系统，以实现整个系统的时间同步。可以通过计算从发送主时钟信息到目标节点接收到该信息并产生中断之间的时间差来获得延迟时间。然后通过延迟补偿实现时间同步。软件时间服务成本较低，但由于网络上同步信息的传输具有较大的延迟和较大的不确定性，因此时间服务的准确性较低（通常为10-6秒至10-3秒）。

综合考虑本文中的时钟同步方法后，将使用硬件时钟同步，并且每个节点都会根据分配给系统的主时钟来调整其时钟。具体的实现方法如下：通过添加硬件时钟同步信号线CONCLK来发送的时间同步信号，同步控制信号的周期为2ms，并且将同步信号的上升沿用作同步点。在控制器上设置一个同步信号发生器，并在每个驱动器内部设置一个同步接收设备。在驱动程序从站的同步接收设备检测到主CONCLK的上升沿之后，每个从站的时钟会同时被清除。这种周期性的删除不仅保持了每个从站的时钟一致性，而且还防止了同步错误的积累。为了改善模块同步信号的抗干扰功能，使用平衡差分驱动模式传输同步信号。使用光耦合器隔离可确保来自主站和从站的信号不会相互干扰。主从同步信号电路如图3所示。

图3主站和从站同步信号电路图

上位机同步运动数据的产生

同步运动数据生成工作放置在由北京首科凯奇电气技术有限公司开发的软plc-ComacPLC系统中。该公司的软PLC系统，硬件系统使用工业计算机平台，而操作系统使用Microsoft发布的WinCE嵌入式操作系统。在该软PLC系统中，设置了高速逻辑任务和慢速逻辑任务，并且在需要大量时间（例如紧急处理和高精度采样）的情况下使用高速逻辑，并且主要使用慢速逻辑任务在正常时间。要求。如果高。高速逻辑任务是需要定期运行的任务（类似于中断服务例程）。该任务必须在系统采样期内执行。缓慢的逻辑任务是一个无限循环，可以在多个系统采样中完成。期间[2]。高速逻辑任务由定时控制器8254定时，定时周期为1毫秒。在执行过程中，每个采样周期执行一次快速逻辑任务，并生成同步运动数据。设置运动参考数据源，以虚拟化主轴的运动状态，以保持每个从轴与主轴的同步关系。在每个系统采样周期中，根据虚拟主动轴的运行状态和每个从动轴的同步运行要求，分别计算每个从动轴的位置信息，并生成每个从动轴的同步运动数据。然后将其放入CAN控制器中，等待发送队列的发送队列，如图4所示。为了确保运动数据的实时性能，将运动数据的生成和计算置于快速逻辑任务中。

图4同步运动数据创建

同步接口技术协议

该系统的总线传输速率设置为1Mbps，位传输时间τbit为1×10-6秒。每个数据帧由8个字节组成，传输的消息数据帧的长度固定为131位（29位标识符），反馈消息的长度为99位。数据帧传输时间Cm=131μs。同步控制信号线（CONCLK）用作同步周期信号线和消息的参考信号线。同步控制信号的周期为2ms，高电平有效，信号电平宽度为10。在正常通信期间，CAN网络可以在一个控制周期内发送16条同步数据消息。控制器在CONCLK沿之后的50μs内发送命令消息，驱动器在接收到命令消息后100μs内发送反馈消息。命令消息的内容包括位置命令值和逻辑接口信号输入，位置命令占4个字节（32位），逻辑接口信号输入占1个字节。逻辑接口信号输入包括命令，例如驱动器使能和复位。反馈消息中的通信顺序包括伺服运行状态信息和错误信息，如图5所示。

图5通讯序列图

结束语

根据传统的机械长轴印刷机同步控制系统，本文提出了一种以控制器为核心的现场总线控制系统，并利用CAN现场总线来实现控制器与伺服器之间的通讯。该解决方案不仅克服了传统机械长轴控制方案中各种机械部件的缺点，而且具有同步性能好，伺服单元之间无相互干扰，控制精度高，维护方便的优点。

这种同步方法的特点是使用CAN总线，具有可靠性高，传输时间短，抗干扰性强，数字伺服器的定位精度高以及完全闭环的优点。