劉志恒， 郝 雷， 李 敏， 張 欣， 張照彥， 高月華

（1.河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定 071002；2.天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引 言

智能制造技術(shù)的推進(jìn)代表著未來工程領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向［1］。把智能制造技術(shù)以模塊形式融入實踐教學(xué)平臺具有現(xiàn)實意義［2］。通過優(yōu)化智能制造人才培養(yǎng)體系［3］，針對智能制造復(fù)雜工程，通過搭建電動機(jī)位置伺服控制實驗平臺，對培養(yǎng)具有高級運(yùn)動控制技術(shù)人才發(fā)揮重要作用［4-5］。嵇正波等［6］介紹了智能制造綜合實訓(xùn)平臺的建設(shè)思路。為提高自動化專業(yè)群與智能制造、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，加速推進(jìn)制造過程智能化進(jìn)程，建立基于智能制造的自動化類專業(yè)綜合實踐平臺［7-8］。徐飛等［9］以工業(yè)自動化常用的電動機(jī)伺服系統(tǒng)作為控制對象，采用閉環(huán)阻尼和自然頻率等作為關(guān)鍵可調(diào)參數(shù)，設(shè)計全參數(shù)化的伺服控制律，構(gòu)建“自動化+數(shù)字化”為核心的智能制造實訓(xùn)平臺［10］。任志斌等［11］提出一種目標(biāo)位置調(diào)節(jié)的永磁同步電動機(jī)位置伺服控制方法，探索并構(gòu)建電氣控制與PLC 多層次實踐教學(xué)平臺［12］。慶鵬展等［13］設(shè)計了基于EtherCAT 伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)，搭建了智能制造單元系統(tǒng)集成應(yīng)用實訓(xùn)平臺［14］。趙健等［15］提出一種基于改進(jìn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制和線性矩陣不等式雙閉環(huán)控制策略，應(yīng)用于高級運(yùn)動控制平臺。張志等［16］設(shè)計了基于Backstepping 控制、前饋控制和等價輸入干擾估計的魯棒抗擾控制策略，以滿足永磁同步電動機(jī)位置伺服控制的高精度要求。孟凡儀等［17］設(shè)計了一種雙電動機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)控制方法，并證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。陳珂等［18］將分?jǐn)?shù)階指數(shù)趨近律應(yīng)用于電動機(jī)的滑膜觀測器，提高了電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估計的準(zhǔn)確性。同志學(xué)等［19］采用STM32 和增量式PID算法作為微處理器和控制算法，實現(xiàn)標(biāo)定裝置中步進(jìn)電動機(jī)角度和速度控制。魯杰等［20］提出一種并網(wǎng)控制算法的電動機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角檢測方法，在定子并網(wǎng)過程中補(bǔ)償轉(zhuǎn)子位置角，將滿足并網(wǎng)條件下的補(bǔ)償量作為轉(zhuǎn)子位置初始角。慶衡衡等［21］通過對多電動機(jī)驅(qū)動單元的集成和開發(fā)，實現(xiàn)機(jī)器人3 位和2 個轉(zhuǎn)向的控制，可同步執(zhí)行5 自由度運(yùn)動控制和空間位姿仿真?？梢?，許多學(xué)者對智能制造控制平臺建設(shè)做了很多工作，并對關(guān)鍵控制和執(zhí)行元件的運(yùn)行性能進(jìn)行了大量分析。對于搭建高級運(yùn)功控制平臺，在設(shè)計具有創(chuàng)新模式的工程項目方面研究很少。

為進(jìn)一步發(fā)揮伺服電動機(jī)高精度控制優(yōu)勢，以離散運(yùn)動控制與智能制造環(huán)境中的伺服系統(tǒng)作為被控對象、伺服電動機(jī)作為驅(qū)動裝置，采用點對點運(yùn)動控制策略，實現(xiàn)被控對象快速、平穩(wěn)、精準(zhǔn)地進(jìn)入預(yù)定位置?；赟120 以及S7-1500 對象進(jìn)行控制，采用TIA Portal平臺軟件完成控制程序的編寫、伺服系統(tǒng)的調(diào)試和監(jiān)控畫面的組態(tài)等，搭建具有擴(kuò)展功能的高級運(yùn)動控制綜合實訓(xùn)平臺。設(shè)計了切紙機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)，基于伺服電動機(jī)的控制策略，實驗結(jié)果驗證了位置伺服系統(tǒng)點動、回零、同步和定位跟蹤性能。

1 運(yùn)動控制系統(tǒng)組成

高級運(yùn)動控制的目的是通過對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度、加速度等進(jìn)行實時的控制管理，使其按照預(yù)期的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)完成動作。

伺服電動機(jī)與圓盤之間存在減速比、反向間隙、機(jī)械誤差等，伺服電動機(jī)上的編碼器不能真實地反映出負(fù)載的位置信息，要提高位置控制精度，需要安裝位移傳感器，將信號直接反饋到運(yùn)動控制器。

1.1 運(yùn)動控制器

SIMATIC S7-1500 PLC 具備高性能、開放性、集成信息安全、高效的工程組態(tài)、可靠的診斷、集成運(yùn)動控制功能、創(chuàng)新型設(shè)計等優(yōu)點，其運(yùn)動控制功能支持速度軸、位置軸、同步軸、外部編碼器、測量輸入、輸出凸輪、凸輪軌跡和凸輪等運(yùn)動系統(tǒng)，可完成從簡單到復(fù)雜的運(yùn)動控制任務(wù)。

1.2 伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器位于運(yùn)動控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，接收上位機(jī)控制器的指令（位置、速度或扭矩），輸出電壓和電流信號到伺服電動機(jī)，實現(xiàn)上位機(jī)運(yùn)動指令，如圖1 所示。

圖1 三環(huán)級聯(lián)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

位置指令輸入為外部脈沖，其來自編碼器脈沖信號經(jīng)過偏差調(diào)整后的給定值；速度環(huán)的輸入為位置環(huán)的輸出，“速度設(shè)定”和“速度環(huán)反饋”值進(jìn)行比較后的差值做PID調(diào)節(jié)；電流環(huán)的輸入為速度環(huán)的輸出、“電流環(huán)給定”和“電流環(huán)反饋”值進(jìn)行比較后的差值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后傳輸給電動機(jī)。伺服電動機(jī)的編碼器將實時反饋當(dāng)前電動機(jī)的狀態(tài)信息給驅(qū)動器，通過閉環(huán)控制的方式實時地調(diào)整輸出給電動機(jī)的位置和速度值，使被控電動機(jī)運(yùn)動軌跡能夠完全跟隨上位機(jī)控制器發(fā)出的指令，實現(xiàn)高精度和高動態(tài)的系統(tǒng)定位功能。

光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器作為伺服電動機(jī)的位置傳感器。位置給定控制如圖2 所示。伺服驅(qū)動器自身有電流環(huán)和速度環(huán)，位置需要從上層控制系統(tǒng)給定，基于S120 的CU自帶的Basic Positioner向驅(qū)動器發(fā)送位置設(shè)定值，位置控制器向速度控制器發(fā)送速度設(shè)定值，速度控制器向電流控制器發(fā)送電流設(shè)定值。

圖2 位置給定控制示意

1.3 運(yùn)動控制平臺

運(yùn)動控制平臺硬件由控制器、驅(qū)動器和被控對象組成?？刂破鞑捎肧7-1516-3 PN/DP，驅(qū)動器為S120，被控對象為圓盤、纏繞等實物對象。編程電腦與PLC的CPU、S120、觸摸屏通過以太網(wǎng)總線連接，硬件接線如圖3 所示，由于PROFINET 和PROFIBUS 的數(shù)據(jù)傳輸速率高，基本不存在延遲問題。

運(yùn)動控制平臺實物如圖4 所示，觸摸屏右側(cè)的撥碼按鈕可實現(xiàn)牽引輥和橫切刀使能、正反向點動、回零啟動、故障復(fù)位、同步啟動等功能。圓盤同步設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 運(yùn)動控制平臺圓盤機(jī)械參數(shù)

圖4 高級運(yùn)動控制平臺（圓盤同步）

運(yùn)動控制平臺中的伺服電動機(jī)軸與圓盤連接，伺服電動機(jī)可將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電動機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，編碼器會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖（單位為LU）與伺服電動機(jī)接收的脈沖形成閉環(huán)，通過參數(shù)調(diào)整能很精確地控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)精確的點動、回零、定位和同步，控制精度可以達(dá)到1 μm。

2 參數(shù)設(shè)置及硬件組態(tài)

基于軟件新建項目，選擇路徑并進(jìn)行創(chuàng)建，通過在線訪問功能為PLC分配IP地址和設(shè)備名稱，如圖5 所示。設(shè)置PLC 的IP地址：192.168.0.1 和子網(wǎng)掩碼地址：255.255.255.0，分配設(shè)備名稱plc1516。

圖5 設(shè)置IP地址

添加控制器和驅(qū)動器，并完成項目的工程下載，如圖6、7 所示。參數(shù)的上傳下載就是在驅(qū)動裝置控制單元中的RAM、CF卡（ROM）以及項目3 個位置中進(jìn)行。RAM中記錄了在線驅(qū)動設(shè)備的當(dāng)前參數(shù)值。當(dāng)裝置掉電時，RAM 中的信息就會永久性丟失。再上電后，裝置自動將ROM中（CF卡）的數(shù)據(jù)存儲到RAM中。

圖6 控制器和驅(qū)動器組態(tài)

圖7 工程的上傳下載

組態(tài)控制器的配置信息進(jìn)行讀取后，設(shè)置并調(diào)整驅(qū)動器參數(shù)，通過控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及位置信息，基于圓盤刻度，對點動、回零、定位和同步功能的精確度進(jìn)行識別。

3 切紙機(jī)設(shè)計及測試

以圓盤同步測試為例，驗證運(yùn)動控制平臺的工程應(yīng)用可靠性及準(zhǔn)確度?？刂破脚_設(shè)計了紙張橫切機(jī)，包括2 個重要的控制對象：牽引軸和橫切刀。橫切機(jī)每轉(zhuǎn)過一圈切出一張紙，每分鐘橫切機(jī)切出的紙張數(shù)量為設(shè)備的生產(chǎn)速度，單位為張/min，紙張橫切機(jī)如圖8 所示。

圖8 紙張橫切機(jī)工作示意

平臺完成對紙張橫切機(jī)的點動、回零、定位和同步操作。平臺上的2 個同心圓盤獨立運(yùn)行，根據(jù)圓盤表面的時鐘刻度，觀察圓盤所處的角度，箭頭處為圓盤的初始角度0°。小圓盤為牽引輥，大圓盤為橫切刀。2個圓盤通過減速箱連接到各自的伺服電動機(jī)。牽引輥及橫切刀0°處于最上方位置，為初始零位。

3.1 點動和回零功能的速度位置控制

在操作屏上組態(tài)“點動”界面如圖9 所示，通過操作屏上的按鈕或撥碼按鈕對牽引輥和橫切刀進(jìn)行點動操作，在操作屏上監(jiān)控伺服電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。操作屏上包含牽引輥、橫切刀的速度設(shè)定、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕，可監(jiān)控2 臺伺服電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)狀態(tài)和電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。

圖9 點動界面示意

進(jìn)行牽引輥使能，操作屏上設(shè)定的線速度實現(xiàn)圓盤順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，同時操作屏上的正、反轉(zhuǎn)指示燈顯示綠色，并完成正、反轉(zhuǎn)操作按鈕組態(tài)及功能設(shè)置。同理，完成橫切刀相應(yīng)設(shè)計。通過點動操作，實現(xiàn)牽引軸圓盤中箭頭位置指向最上方位置，點動位置誤差在3°以內(nèi)。

組態(tài)“回零”界面如圖10 所示。在操作屏上設(shè)置回零位置偏差修正值，通過按鈕啟動回零操作，同時顯示軸回零狀態(tài)及軸當(dāng)前的實際位置。

圖10 回零界面示意

完成牽引輥使能，在操作屏設(shè)置回零操作按鈕，點擊啟動回零后，觀察牽引輥箭頭位置，如果距離圓盤最上端有偏差，設(shè)置適當(dāng)?shù)奈恢闷钚拚?，重新啟動回零，牽引輥圓盤中的箭頭處于最上方位置，軸回零狀態(tài)指示燈亮起，且當(dāng)前實際位置應(yīng)為0°。同理完成橫切刀相應(yīng)設(shè)計。

3.2 定位和同步功能的運(yùn)動控制

組態(tài)“定位”界面示意如圖11 所示，包括定位速度、目標(biāo)位置設(shè)定；操作按鈕包括2 個單次相對定位、2個絕對定位和1 個連續(xù)相對定位；牽引輥和橫切刀的位置可實時顯示在輸出框。

圖11 定位界面示意

牽引輥定位使能，在觸摸屏設(shè)置按鈕“順時針轉(zhuǎn)動120°”和“逆時針轉(zhuǎn)動90°”，點擊按鈕牽引輥做相應(yīng)轉(zhuǎn)動。在目標(biāo)位置設(shè)定需要到達(dá)的位置，點擊“啟動絕對定位”，牽引輥運(yùn)行到目標(biāo)位置后停下。同理設(shè)置橫切刀設(shè)置，定位操作中設(shè)計“順時針轉(zhuǎn)動180°，等待2 s后逆時針轉(zhuǎn)動120°”按鈕，橫切刀按設(shè)定的速度完成2 個相對定位。響應(yīng)快且穩(wěn)定性高。

組態(tài)“同步”界面示意如圖12 所示，設(shè)定和操作區(qū)域包括切紙機(jī)速度設(shè)定、切紙長度設(shè)定、機(jī)器啟停、升降速操作按鈕；狀態(tài)顯示區(qū)域包括當(dāng)前設(shè)備的實際生產(chǎn)速度、牽引輥同步狀態(tài)和轉(zhuǎn)速、橫切刀同步狀態(tài)和轉(zhuǎn)速、切紙張數(shù)統(tǒng)計及復(fù)位按鈕等。基于切紙機(jī)工藝，根據(jù)具體工藝設(shè)計要求，實現(xiàn)牽引輥和橫切刀之間的運(yùn)動控制關(guān)系。

圖12 同步界面示意

牽引輥和橫切刀的使能設(shè)置，觀察操作屏上牽引輥和橫切刀的同步狀態(tài)，兩燈同時亮起時，電動機(jī)啟動按鈕，切紙機(jī)運(yùn)行，目標(biāo)速度為最低生產(chǎn)速度，“升速”和“降速”按鈕用于控制切紙機(jī)的生產(chǎn)速度和變速節(jié)拍，“停止”按鈕用于控制切紙機(jī)的快速、減速、停止及降速節(jié)拍。

3.3 測試結(jié)果及分析

通過點動功能進(jìn)行速度、位置控制，2 個點動信號源輸入，其分為速度控制和位置控制。配置點動設(shè)定值如圖13 所示，上半部分是速度值設(shè)定，下半部分是位置控制轉(zhuǎn)動的距離。0 為速度控制，1 為位置控制。

圖13 點動值設(shè)定示意

回零點是伺服控制系統(tǒng)中很重要的一環(huán)?；卦c時直接尋找編碼器的Z 相信號，當(dāng)有Z 相信號時，馬上減速停止。電動機(jī)先以第1 段高速去找原點開關(guān)，有原點開關(guān)信號時，電動機(jī)馬上以第2 段速度尋找電機(jī)的Z相信號，第1 個Z相信號即為原點擋塊上。如圖14 所示。

圖14 基于編碼器和參考點凸輪的回零示意

通過目標(biāo)值與實際值之間的跟隨試驗和圓盤啟、停定位試驗，驗證本文伺服電動機(jī)的控制策略在位置伺服系統(tǒng)中的點動和回零跟蹤性能，如圖15、16 所示。

圖15 位置跟隨測試結(jié)果

由圖15 可見，根據(jù)實際值與目標(biāo)值之間的波形曲線，圓盤同步的切紙機(jī)實現(xiàn)了很好的位置跟隨效果，圓盤之間定位誤差在±0.6 rad以內(nèi)，顯示了較高的位置跟隨控制精度。

由圖16 可見，根據(jù)實際值與目標(biāo)值之間的波形曲線，對2 個圓盤輸入不同的速度控制時，兩個圓盤之間定位誤差在0.1 mm 以內(nèi)，顯示了較高的位置定位精度。

圖16 定位位置曲線

4 結(jié) 語

根據(jù)新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求，突出智能制造技術(shù)，設(shè)計伺服電動機(jī)運(yùn)動控制實驗平臺，通過案例教學(xué)提升了電氣工程和自動化專業(yè)實驗教學(xué)的智能化。搭建的實驗教學(xué)平臺的先進(jìn)性具體體現(xiàn)在：

（1）學(xué)生通過設(shè)計伺服電動機(jī)運(yùn)動控制生產(chǎn)線邏輯程序，可實現(xiàn)運(yùn)動控制平臺中圓盤同步、直線同步、物料卷繞和物料飛剪等操作，依據(jù)相關(guān)實例進(jìn)行自主設(shè)計，為學(xué)生提供一個與實際生產(chǎn)線密切相關(guān)的操作平臺。

（2）基于伺服電動機(jī)運(yùn)動控制平臺開展實驗教學(xué)，以切紙機(jī)為例開發(fā)了運(yùn)動控制平臺圓盤同步點動、回零、定位和同步等智能制造實踐教學(xué)項目。實驗結(jié)果表明，運(yùn)動控制平臺位置跟隨精度在±0.6 rad 以內(nèi)，定位精度小于0.1 mm。驗證了實驗平臺具有較高的控制精度、系統(tǒng)響應(yīng)速度及穩(wěn)定性。