曾超，楊喜軍，唐厚君，徐青菁

(上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

據(jù)金屬消費(fèi)品行業(yè)調(diào)研公司“2013年易拉罐產(chǎn)業(yè)投資特性分析”指出，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)人均鋁制易拉罐的消費(fèi)量還很低，年均只有80多罐/人，而美國(guó)已超過(guò)400罐/人。隨著啤酒和飲料制造行業(yè)整體水平的提高，以往高污染高成本制作的玻璃承裝器皿已逐年被鋁制兩片易拉罐所取代。此外，由于國(guó)際鋁價(jià)變動(dòng)的不穩(wěn)定因素，鋼制兩片易拉罐甚至紙質(zhì)易拉罐也應(yīng)運(yùn)而生。因?yàn)閮善街圃旒夹g(shù)更先進(jìn)，生產(chǎn)速度更快，產(chǎn)量更高，成本更低，可以預(yù)見(jiàn)不久的將來(lái)，中國(guó)的兩片罐消費(fèi)量很快將超過(guò)每年100億只，兩片罐將成為市場(chǎng)消費(fèi)的主體。目前，高精度數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器以及多軸運(yùn)動(dòng)控制器的飛速發(fā)展，為需要精確運(yùn)行的無(wú)軸伺服傳動(dòng)技術(shù)提供了物質(zhì)保障。在印刷、包裝和工業(yè)機(jī)床等工業(yè)領(lǐng)域，無(wú)軸伺服傳動(dòng)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，帶來(lái)了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文就是基于兩片罐無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)分析和實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及多軸運(yùn)動(dòng)控制器虛擬電子長(zhǎng)軸、Ether-CAT現(xiàn)場(chǎng)總線、高精度編碼器、高速運(yùn)轉(zhuǎn)下動(dòng)態(tài)位置控制精度等，為后續(xù)應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 輪轉(zhuǎn)式兩片罐無(wú)軸彩印機(jī)

兩片罐消費(fèi)能力的日趨增長(zhǎng)勢(shì)必會(huì)帶來(lái)兩片罐制造工藝的革新。傳統(tǒng)的兩片罐印刷主要采用的是由機(jī)械主軸分配動(dòng)力的輪轉(zhuǎn)式(即行星式)彩印機(jī)，如圖1所示。

圖1 6色輪轉(zhuǎn)式易拉罐彩印機(jī)

而兩片罐無(wú)軸彩印機(jī)的各印刷單元、移墨輪和承罐輪的動(dòng)力來(lái)源是獨(dú)立解耦的高精度數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)力解耦后各滾筒可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的位置和速度控制，大大縮短了人工對(duì)版的時(shí)間，而且利用多軸運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)建虛擬電子主軸取代機(jī)械長(zhǎng)軸，機(jī)械制造難度降低，控制精度提高，印刷速度加快［1-2］。無(wú)軸傳統(tǒng)系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心問(wèn)題

目前，采用機(jī)械長(zhǎng)軸傳動(dòng)的兩片罐彩印機(jī)印刷的效率在1 200罐/分左右。由于取消了機(jī)械長(zhǎng)軸，采用無(wú)軸輪轉(zhuǎn)式彩印機(jī)沒(méi)有了機(jī)械齒輪磨損和維護(hù)的困擾，其設(shè)計(jì)效率可以達(dá)到1 600罐/分以上，如果將承罐輪(芯軸轉(zhuǎn)盤(pán))的直徑做大，那么承罐芯棒的數(shù)量可以加多，整機(jī)運(yùn)行效率甚至可以達(dá)到2 400罐/分。但如此高的運(yùn)行效率帶來(lái)的問(wèn)題是:

圖2 無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

(1)承載刻板的印版輥以及移墨輥的運(yùn)行線速度大大提高，穩(wěn)態(tài)線速度在600 m/min以上，對(duì)伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器提出了非常高的要求，二者必須能夠?qū)崿F(xiàn)在高速運(yùn)行下動(dòng)態(tài)速度穩(wěn)定;

(2)九軸以上的伺服電機(jī)軸將帶來(lái)大量的采樣數(shù)據(jù)，必須采用高速現(xiàn)場(chǎng)總線才能實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)交換，保證運(yùn)行過(guò)程中多軸動(dòng)態(tài)位置調(diào)整;

(3)整機(jī)運(yùn)動(dòng)控制邏輯的復(fù)雜度提升，主控系統(tǒng)不僅要完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)、參數(shù)更改、IO調(diào)試、日志記錄等基本功能，還要完成損罐處理、進(jìn)料吹料、同步控制等復(fù)雜邏輯。

要解決以上難題，新型的無(wú)軸兩片罐彩印系統(tǒng)必須采用如下技術(shù):

(1)EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線

傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線一般采用CAN總線、Profibus等，雖然技術(shù)比較成熟，但這些總線的帶寬容限和帶寬利用率相對(duì)較低，無(wú)法滿(mǎn)足高精度同步時(shí)幾十微秒的伺服周期控制要求。而EtherCAT在物理層上采用的是與網(wǎng)絡(luò)通信相同的網(wǎng)線和專(zhuān)用集成電路芯片，保證了高帶寬與穩(wěn)定性，在應(yīng)用層傳輸協(xié)議上采用了循環(huán)數(shù)據(jù)包傳送的方式，而不是傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸形式，由此大大減少了數(shù)據(jù)交互的時(shí)間，提高了帶寬利用率。在以太網(wǎng)協(xié)議的局域網(wǎng)里，EtherCAT總線傳輸速度為100 M/bps，完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)伺服控制需求。此外，EtherCAT還采用了分布式時(shí)鐘機(jī)制、冗余電纜布線等機(jī)制來(lái)保證同步性和可靠性。

此外，Rexroth力士樂(lè)在上個(gè)世紀(jì)80年代末提出的Sercos總線也是一種高速總線技術(shù)，與EtherCAT有異曲同工之妙。

(2)多閉環(huán)伺服電機(jī)控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)高效率和高同步精度，采用SVPWM矢量算法控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)是動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的首選;同時(shí)，在伺服控制上采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)能提高系統(tǒng)的機(jī)械特性，速度環(huán)由伺服驅(qū)動(dòng)器控制調(diào)節(jié)，能使實(shí)際速度跟隨給定速度，位置環(huán)配合速度環(huán)共同減小系統(tǒng)的震蕩，消除穩(wěn)態(tài)跟隨誤差。伺服驅(qū)動(dòng)三閉環(huán)邏輯如圖3所示。

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)三環(huán)控制邏輯框圖

(3)高精度絕對(duì)值編碼器

伺服電機(jī)尾部都帶有編碼器以實(shí)時(shí)檢測(cè)位置。為了實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.05 mm的多色套印和印刷精度以及初始狀態(tài)的半自動(dòng)刻板套印，必須采用高精度絕對(duì)值編碼器，且編碼器分辨率所實(shí)現(xiàn)的控制精度必須達(dá)到0.05 mm的十分之一甚至更高。利用絕對(duì)值編碼器的位置記憶功能，可以實(shí)現(xiàn)初始狀態(tài)的多軸回零和位置補(bǔ)償。

3 無(wú)機(jī)械長(zhǎng)軸彩印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方案

下面針對(duì)某制罐廠6色無(wú)軸彩印機(jī)的生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了一套性能完善的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并將以該系統(tǒng)為例說(shuō)明無(wú)軸傳動(dòng)同步控制的可行性。如圖1所示，本套設(shè)備具有六個(gè)印版輥(刻板承載輪)、一個(gè)移墨輥(膠版輪)、一個(gè)承罐輥(芯軸轉(zhuǎn)盤(pán))以及兩個(gè)轉(zhuǎn)輸輥(轉(zhuǎn)輸盤(pán)和傳輸鏈輪)，共計(jì)十個(gè)軸。

3.1 中央控制系統(tǒng)的選擇

無(wú)軸彩印設(shè)備中，運(yùn)動(dòng)軸數(shù)量較多，而且需要完成位置指定、IO控制、同步鎖定、時(shí)序控制、實(shí)時(shí)運(yùn)算以及遠(yuǎn)程通訊等復(fù)雜功能，故必須要采用主頻較高、功能開(kāi)放、接口完善的多軸運(yùn)動(dòng)控制器。經(jīng)過(guò)技術(shù)分析，采用英國(guó)Trio公司的MC系列控制器。該控制器內(nèi)建了一塊64位400 MHz主頻的 MIPS處理器，支持IEC61131-1的編程規(guī)范，可以控制多達(dá)64根數(shù)字伺服軸，而且IO控制在擴(kuò)展后可以多達(dá)272個(gè)點(diǎn)。此外，Trio還提供了ActiveX控件，支持在Windows編程環(huán)境下開(kāi)發(fā)上位控制系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)線就可以連接控制器完成整套運(yùn)動(dòng)控制，不僅便于二次開(kāi)發(fā)，還大大拓展了用戶(hù)的可應(yīng)用范圍。

最重要的是，Trio不僅支持模擬量控制伺服軸，其運(yùn)動(dòng)控制功能還可以通過(guò) EtherCAT實(shí)時(shí) CoE(以太網(wǎng) CAN接口)完成［3-5］，而使用的協(xié)議就是如今廣泛應(yīng)用于數(shù)字伺服的 CAN/CANopen DS402通訊協(xié)議。

3.2 伺服系統(tǒng)的選擇

(1)伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇需配合DS402協(xié)議的控制器，擁有支持CoE接口。可選Emerson CT公司的SP系列伺服驅(qū)動(dòng)器，該系列驅(qū)動(dòng)器廣泛地應(yīng)用于食品包裝和工業(yè)機(jī)床等場(chǎng)合，其機(jī)身整合了三個(gè)擴(kuò)展插槽，可以適配包括EtherCAT通訊子板在內(nèi)的多種擴(kuò)展模塊，關(guān)鍵是SP系列伺服可以完成伺服電機(jī)的三環(huán)控制，即位置模式、速度模式和力矩模式，能夠根據(jù)用戶(hù)的需求實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)調(diào)整和電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

(2)伺服馬達(dá)

選用意大利Phase公司的U3系列高精度永磁同步伺服電機(jī)，并且搭配海德漢絕對(duì)值25位編碼器，經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器處理后，伺服電機(jī)單圈的位置脈沖可以高達(dá)1 048 576，對(duì)于由伺服馬達(dá)直驅(qū)、周長(zhǎng)約400 mm的印版輥，其位置控制精度可達(dá)0.000 3 mm/pulse，完全滿(mǎn)足控制要求。

3.3 上下位機(jī)之間的控制流程

從控制流程與數(shù)據(jù)信息走向來(lái)分析，可以將整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程分為以下兩個(gè)部分:

第一部分:上位機(jī)與控制器。首先，交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)由人機(jī)通訊部分即上位機(jī)觸屏控制系統(tǒng)流向數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器。數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器預(yù)先存儲(chǔ)了不同功能的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行程序模塊，上位機(jī)的控制操作實(shí)際上就是利用ActiveX控件對(duì)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行程序模塊進(jìn)行調(diào)用，如運(yùn)動(dòng)軸的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停機(jī)等操作。第二，上位機(jī)觸屏控制系統(tǒng)可以直接讀取控制器的若干I/O端口信號(hào)狀態(tài)并實(shí)時(shí)地顯示在觸屏界面。第三，上位機(jī)觸屏控制系統(tǒng)要完成參數(shù)更改和自動(dòng)日志錄入等功能。

圖4 上下位機(jī)控制流向圖

第二部分:控制器與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊。首先，數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器快速地處理上位機(jī)觸屏控制系統(tǒng)給出的運(yùn)動(dòng)控制調(diào)用指令，并將運(yùn)動(dòng)指令傳遞給交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，隨后動(dòng)作執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的同步控制和速度控制。第二，控制器還要調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊，計(jì)算出各運(yùn)動(dòng)軸之間的相位差以及已印刷數(shù)量等運(yùn)行數(shù)據(jù)并反饋給上位機(jī)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

整個(gè)控制流程如圖4所示。

4 多軸同步控制的兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)

輪轉(zhuǎn)式兩片罐無(wú)軸彩印機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)在于高速印刷工程中的印刷精度控制［6-7］，如果運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制好每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使每個(gè)伺服軸的速度抖動(dòng)小且位置跟隨誤差被控制在一定的閾值內(nèi)，則多軸之間的相對(duì)位置誤差也自然就降到了合理水平。

4.1 位置模式和速度模式的選擇

一般伺服都有三種控制方式:速度控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式與位置控制方式。伺服系統(tǒng)一般都采用三環(huán)控制，即三個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖3所示。以下直接討論位置模式和速度模式。

位置模式:位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，SP系列伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。位置模式對(duì)速度和位置都有很?chē)?yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用場(chǎng)合包括數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。

速度模式:通過(guò)模擬量輸入或脈沖頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)，速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)反饋給上位機(jī)，用于后續(xù)運(yùn)算。

位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供，其優(yōu)點(diǎn)是可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。

我們?cè)谖恢媚Ｊ较潞退俣饶Ｊ较?，?duì)同一個(gè)負(fù)載直驅(qū)軸進(jìn)行實(shí)測(cè)。位置模式下得到的單軸位置跟隨誤差相比速度模式下得到的更小。控制方式均為:讓實(shí)際伺服軸跟隨一個(gè)由控制器內(nèi)建的虛擬主軸進(jìn)行1:1的速度跟隨。在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的狀態(tài)下，采樣伺服軸與虛擬軸之間的位置偏差，由于虛擬軸位置是由控制器生成的精確位置，那么該偏差值實(shí)際上就是伺服軸實(shí)際位置和指令位置的偏差(脈沖差值)，對(duì)連續(xù)時(shí)間內(nèi)的十萬(wàn)個(gè)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，取其中三組數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明，如表1所示。

表1 位置模式和速度模式位置誤差對(duì)比

設(shè)置控制器的伺服周期為1 ms，在位置模式下，控制器本身只完成指令給定以及虛擬主軸內(nèi)建的任務(wù)，將生成一個(gè)伺服軸的給定位置傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，三環(huán)的運(yùn)算比較全部在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)完成。而在速度模式下，控制器需要從EtherCAT模塊經(jīng)過(guò)通訊獲取伺服軸的反饋位置，與參考位置進(jìn)行計(jì)算后得到指令速度參考值，并傳給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器只完成速度環(huán)和電流環(huán)的計(jì)算。由于控制器的伺服周期以及在數(shù)據(jù)通訊上損失了時(shí)間，由控制器去完成位置閉環(huán)的運(yùn)算反而不如讓驅(qū)動(dòng)器自身完成三環(huán)的運(yùn)算更快速更有效。位置控制方式在高精度的印刷場(chǎng)合可以將控制精度提高一倍有余。

4.2 大慣量比驅(qū)動(dòng)與小慣量比驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇

為了高速定位，選伺服電機(jī)時(shí)，負(fù)載慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量比一定要達(dá)到一個(gè)合理的范圍。系統(tǒng)追求快速性的本質(zhì)在于運(yùn)動(dòng)部件的加減速能力。追求系統(tǒng)的加減速能力，就必須以相對(duì)更大的力矩去拖動(dòng)目標(biāo)慣量，同樣力矩的伺服電機(jī)，完全可以有不同的轉(zhuǎn)子慣量。同理，相同的轉(zhuǎn)子慣量，也可能對(duì)應(yīng)不同的力矩能力，對(duì)于最終系統(tǒng)而言，電機(jī)轉(zhuǎn)子與負(fù)載的慣量比、電機(jī)力矩能力與系統(tǒng)總慣量(電機(jī)慣量與負(fù)載慣量之和)的比，即系統(tǒng)加減速能力以及系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，是對(duì)同步精度控制至關(guān)重要的兩個(gè)指標(biāo)。采用兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩組馬達(dá)數(shù)據(jù)如表2所示。

由于加入了減速機(jī)，馬達(dá)實(shí)際的慣量輸出為Jmact=Jm*n2，其中Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，n為減速比。通過(guò)計(jì)算可知，第一組傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)子慣量比為:

第二組傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)子慣量比為:

表2 不同慣量電機(jī)組別的參數(shù)對(duì)比

由于印刷系統(tǒng)不用頻繁啟動(dòng)，所以對(duì)系統(tǒng)加減速時(shí)間沒(méi)有要求，即負(fù)載對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)力矩要求不高，即在力矩冗余的情況下測(cè)試兩組負(fù)載在不同慣量系統(tǒng)拖動(dòng)下的動(dòng)態(tài)位置穩(wěn)定性，測(cè)試方法為:均在EtherCAT位置模式下，讓伺服軸以1∶1的速度比例跟隨虛擬主軸，同表1的采樣方法一樣，在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)對(duì)連續(xù)時(shí)間內(nèi)的十萬(wàn)個(gè)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，取其中三組數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 大慣量和小慣量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制精度

由表3中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，大慣量系統(tǒng)更能夠保證整個(gè)位置控制的精度，在兩片罐無(wú)軸印刷中，利用冗余度較大的大慣量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠有效地保證輪轉(zhuǎn)式印刷的精度。

兩片罐無(wú)軸印刷伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的樣機(jī)如圖5所示。

圖5 兩片罐無(wú)軸印刷伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)

5 結(jié)束語(yǔ)

將無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)推廣到傳統(tǒng)兩片罐輪轉(zhuǎn)式印刷伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。探討了高速金屬印刷場(chǎng)合可能遇到的問(wèn)題和相應(yīng)的解決對(duì)策，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套可行的高速無(wú)軸傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并詳細(xì)分析了同步控制中提高印刷精度的兩種控制手段:利用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置閉環(huán)控制以及利用大慣量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)負(fù)載，為金屬印刷行業(yè)無(wú)軸傳動(dòng)的應(yīng)用提供了可行性和實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)。

［1］馬春敏，康存鋒，黃旭東，等.無(wú)軸印刷控制系統(tǒng)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37(6):721-727.

［2］李峰.無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)在印刷機(jī)中的應(yīng)用研究［D］.山東:山東大學(xué)，2006.

［3］石元元.基于CAN總線的無(wú)軸傳動(dòng)控制系統(tǒng)［D］.西安:西安科技大學(xué)，2010.

［4］郝蕊.用于無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)基于Linux的EtherCAT主站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2012.

［5］孟詔.基于CANopen協(xié)議的CAN總線控制系統(tǒng)研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2008.

［6］張貴強(qiáng).無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)同步控制的研究［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2005.

［7］張婧.無(wú)軸傳動(dòng)印刷機(jī)同步控制系統(tǒng)的研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2012.