Technological Innovation
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双轴角度同步控制的实现与应用
张宝伟
（中国电子科技集团第四十一研究所，安徽 蚌埠 233006）
摘要：工业现场中传统的单轴控制逐渐无法满足工业生产现状的需要，为节约成本，提高运行可靠性，采用多轴同步控制已成为发展
趋势。本文以某烟支包装线改进项目为应用背景，介绍了以伺服电机控制为基础的同步控制技术，实现了多轴的相位同步控制，经实际应用，很好的满足了现场的使用情况。
关键词：同步控制；伺服控制；PLC
1 简介
工业现场中传统的单轴控制逐渐无法满足工业生产现状的需要，为节约成本，提高运行可靠性，采用多轴
同步控制已成为发展趋势。实现多轴同步控制一般有两种方案：（1）采用单电机通过齿轮、连杆等机械结构来实现多轴驱动同步，但这种方法机械结构复杂，传动效率低、成本高且系统整个功率受限于电机功率，一般单电机适用于中小系统。（2）采用多轴多电机控制根据需求加入反馈机制，组成闭环来实现多轴同步控制，多电机控制精度高、机械结构简单、控制难度大，适用于大中功率系统。
本文涉及的同步控制应用于某烟支包装线改进项目中，原烟支包装生产线引进于九十年代中期，缺少烟支断支、缺支、空头等相关检测，为提高烟支包装质量，降低工人劳动强度，对原烟支包装线增加相关检测，并增加烟支储烟库。增加烟支存储库和相关检测后，若采用单电机控制，需对原烟支包装线主轴及传动系统进行重新设计，更换大功率电机，原机组结构改动大、难度高；采用增加从动轴与原机主轴进行相位同步控制的控制方案，原机主轴部分不需改动，只需增加从动轴、烟支存储及相关检测位即可，通过主轴与从动轴的同步控制即可保证烟支由从动轴的传输皮带准确进入主动轴的烟支包装处，实现烟支的准确传输。因此同步控制中采用多轴同步的方案进行实现。
2 方案设计
方案设计中涉及到的硬件主要包括：PLC、伺服电机及伺服控制器、绝对编码器等单元。通过绝对值编码器采集原机主轴位置信息，将采集获得的位置信息作为伺服控制器的输入控制量，伺服控制器与编码器的数据通信采用HIPERFACE总线实现。PLC通过ProfiBus 总线与伺服控制器通讯，PLC发出控制指令至伺服控制器，伺服控制器通过驱动伺服电机实现从动轴与主轴的同步控制，伺服控制器
图1 同步系统组成框架
2.1 PLC
原机组采用西门子PLC S7-300作为控制系统，该PLC为西门子生产的PLC，适用于中等性能的控制要求。该PLC采用模块化架构，通过搭配不同的CPU模块、信号模块和功能模块，能够满足各种工业领域的自动控制任务，其分布式应用和强大的通信联网能力，使S7-300的应用十分灵活。在实际应用中，可以根据具体情况选择合适的模块搭建系统，当系统规模扩大时，可通过增加模块，方便快捷的实现系统升级。原PLC系统包括电源模块、CPU、信号模块。为实现同步控制，在原PLC系统上增加一组信号模块、通信模块，实现与从动轴的通讯、控制。PLC通过ProfiBus总线实现与伺服控制器的通讯，以读取当前的控制信息并发送控制指令至伺服驱动器。
2.2 伺服电机及伺服控制器
伺服电机及控制器采用德国伦茨公司的9400系列控制器及GST05配套电机。9400控制器采用全新的模块式理念，结构紧凑、安装便捷、安装底座和驱动装置分离，系统数据记录在插拔式存储卡中，维修和维护方便快捷，无需额外工具。9400控制器功能十分强大，带有主电源滤波器、外部制动电阻，内置C
AN总线接口，兼容RS232/485、ProfiBus、DeviceNet等多种总线接口、内置主电源及直流母线监控功能、通过诊断接口可实现在线编程和监控、短时过载能力可达200%-300%，可驱动同步、异步多种类型伺服电机。相较于传统电机，直流伺服电机具有运行可靠、起动转矩大、过载能力强、调节方便、动态特性好等优点。伦茨生产的GST05直流伺服电机与9400控制器配合使用，控制精度更加理想。
同步通信和异步通信的区别
2.3 绝对编码器
与增量编码器相比，绝对值编码器具有以下优点：（1）可以直接读出当前位置的角度值；（2）没有累积误差；（3）遭遇断电、主轴意外转动的情况下，主轴位置信息不丢失。基于以上优点，对原机主轴位置的获取采用绝对编码器来实现。设计中采用4096线高精度绝对值编码器将主轴位置角度转换成编码信息，每位数字对应主轴0.088°，响应时间最快低至1us。编码器通过HiperFace总线实现与伺服控制器的通讯，能够及时将主轴位置信息传递给伺服控制器。
2.4 控制流程
同步控制的工作流程：主机PLC发出控制指令，伺服控制器根据指令判断是否进行位置同步。当机组停机、电机故障、异常紧急停机等情况发生时，主机PLC发出禁止指令，从动轴与主轴禁止运动，否则造成相位错位，材料堵塞等一系列异常，严重甚至造成机组机械结构损伤。主机PLC发出允许指令时，伺服控制器通过HiperFace总线读取当前绝对值编码器采集的主轴位置信息。为了获得真实有效的位置数
据，除采用总线传输、线路屏蔽接地等传统方式外，在软件处理中剔除异常数据，并采用滑动平均数据算法，能够有效减少异常数据对控制的干扰，有效消除噪声，从源头使控制结果更加接近理论值，提高控制精度。伺服控制器对伺服电机的控制，采用位置、速度双闭环的控制模式。内部速度环采用经典PID 控制模式，伺服电机自带的位置反馈信息微分后得到实际速度值，绝对值编码器获得位置信息微分后得到设定速度值，两者作为速度PID的输入。外部位置环采用模糊PID控制模式，绝对值编码器获得的位置信息作为位置设定值，伺服电机自带位置反馈值作为实际位置值，两者作为位置的输入。速度、位置双环控制既提高了响应速度又兼顾了控制精度。
图2 位置、速度双闭环控制流程
3 结语
机组改造完成后，实际使用中，主轴与从动轴的位置同步精度达到0.2°，满足了主轴与从动轴的同步要求，获得了良好的运行控制效果。
参考文献：
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