图1 主从轴同步关系
2 同步控制系统设计
考虑到印刷机中同步运动关系复杂,套印精度高、印刷机组点多、分散,多操作子站,印刷生产线长等特点,采用全分散、全数字、全开放的现场总线控制系统FCS,总线的选择选用CAN总线。
为了实现各个印刷机组的复杂同步关系,将主控制器和各个电机的伺服驱动器都挂接到CAN总线上,构成以印刷机控制器为核心的CAN现场总线系统,如图2。
图2 同步控制系统图
控制器和伺服驱动器都配有CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C250的通讯适配卡,通过连接在印刷机控制器上的CAN通讯适配卡,控制器可以方便、快速的与各伺服驱动器通讯,向各个伺服单元发送控制指令和位置给定指令,并实时获得各个伺服电机的状态信息,按照需要实时地对伺服参数进行修改,各个伺服单元也可以通过CAN总线及时的进行数据交换。各个伺服驱动器在获得自己的位置参考指令后,紧密的跟随位置指令。由于控制器的位置指令直接输入到各个伺服驱动器,因此每个伺服驱动器都获得同步运动控制指令,不受其他因素影响,即任一伺服单元都不受其他伺服单元的扰动影响。在这个系统中,控制器和各个伺服驱动器都作为一个网络节点,形成CAN控制网络。同时,由于采用现场总线控制系统,可以根据印刷规模,扩展网络节点个数。
3 编码器和伺服电机的选择
在大惯量负载印刷系统中,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,其负载转动惯量很大,其中柔印机组为0.13 kg•m2,胶印机组转动惯量最大,为0.33 kg•m2。
由于系统定位精度要求≤0.03 mm,考虑到负载的大惯量性,把控制周期定为2 ms,要求位置环稳态误差为±1个脉冲。根据定位精度和稳态误差,可以折算出编码器线数为17000线,可是考虑到在实际印刷过程中,要不断调整不同机组的位置,如果编码器分辨率选17000线,在调整印辊时,由于机组转动惯量很大,将会产生很大的角加速度,进而产生很大的转矩。例如对于胶印机组,调整角加速度超过700 rad/s2,调整转矩超过200 N•m,一般的电机无法满足要求。
综合考虑,选择编码器分辨率为40000线,这样在调整过程中,减小了电机的调整加速度,进而减小了调整转矩。例如在负载惯量最大的胶印机组中,调整角加速度为78.6 rad/s2,调整转矩为26 N•m,凯奇电气公司的90M系列伺服电机完全可以满足要求。[page]
4 时钟同步机制
在分布式无轴传动同步控制系统中,需要各个印刷机组之间统一协调地工作,所以各个机组必须要有统一的时间系统,以保证各个印刷机组协调工作,完成印刷任务。
具体的时钟同步实现方法分为硬件时钟同步,同步报文授时同步和协议授时同步。
(1)硬件时钟同步。硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施(如GPS接收机、UTC接收机、专用的时钟信号线路等)进行的局部时钟之间的同步,操作对象是计算机的硬件时钟。硬件同步可以获得很高的同步精度(通常为10-9秒至10-6秒)。
(2)同步报文授时同步。在每个通讯周期开始,主站以广播形式发送一次同步报文。例如在SERCOS协议数据传输层中,每个SERCOS的通讯周期开始都以主战发送的同步报文MST为标志。MST的数据域非常短,只占1个字节。MST报文的同步精度很高,如果用光缆做传输介质,同步精度可在4微妙之内。
(3)协议授时同步。协议授时也叫软件授时,指利用网络将主时钟源,通过网络,发给其他的子系统,以达到整个系统的时间同步性。通过计算从发出主时钟信息到发送到目标节点接受该信息并产生中断之间的时间差,可以得出延迟时间。然后通过延时补偿来达到时间同步。软件授时成本低,可由于同步信息在网络上传输的延迟大且有很大的不确定性,所以授时精度低(通常为10-6秒到10-3秒)。
综合考虑,本文的时钟同步方案采用的是硬件时钟同步,各节点根据系统中指定的主时钟来调整它们的时钟,具体实现方法是:添加硬件时钟同步信号线CONCLK用来传输时间同步信号,同步控制信号周期为2 ms,以同步信号的上升沿作为同步点。在控制器中设置同步信号发生器,并在各个驱动器内部设置同步接受单元。驱动器从站的同步接受单元检测到主战的CONCLK上升沿后,各从站时钟同时清零。这样定期清零不仅保持了各从站时钟的一致性,同时也避免了同步误差的累计。为了提高模块同步信号的抗干扰能力,采用平衡差分驱动方式传输同步信号。使用光耦隔离,可以使主站和从站的信号互不干扰。主、从站同步信号电路如图3。
图3 主站、从站同步信号电路图
图4 同步运动数据的产生
6 同步接口技术协议
本系统总线波特率设为1 Mbps,位传输时间τbit为1×10-6秒。每个数据帧由8个字节组成,发送报文数据帧长度固定为131位(29位标识符),反馈报文长度为99位。数据帧传送时间Cm=131 μs。把同步控制信号线CONCLK,作为同步周期信号线和报文的基准信号线。同步控制信号周期为2 ms,高电平有效,信号电平宽度为10。正常通讯时,一个控制周期内CAN网络可以传送16个同步数据报文。控制器在CONCLK上跳沿之后50 μs内发出指令报文,驱动器在接受到指令报文后100微秒内发出反馈报文。指令报文内容包括位置指令值、逻辑接口信号输入,其中位置指令占用4个字节(32位),逻辑接口信号输入占用一个字节。逻辑接口信号输入包括驱动器使能、复位等指令。在反馈报文中,包括伺服运行状态信息和故障信息,通信时序如图5。
图5 通讯时序图
7 结束语
本文针对传统的机械长轴印刷机同步控制系统,提出了以控制器为核心的现场总线控制系统,以CAN现场总线实现在控制器和伺服之间的通信。此方案不仅克服了传统机械长轴控制方案的各种机械元件带来的缺点,而且还具有同步性能好、各伺服单元不互相干扰、控制精度高、维护方便等优点。
这种方法实现同步的特点在于利用了CAN总线可靠性高、传输时间短、抗干扰能力强,和数字伺服的位置精度高、全闭环的优点。
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