基于CAN總線技術(shù)的混合伺服液壓機(jī)控制系統(tǒng)

喬禮惠，趙雪松，吳國健

（江蘇揚(yáng)力液壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

基于CAN總線技術(shù)的混合伺服液壓機(jī)控制系統(tǒng)

喬禮惠，趙雪松，吳國健

（江蘇揚(yáng)力液壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

本文打破傳統(tǒng)的采用電液比例控制技術(shù)來控制閥開口大小的方式，開發(fā)了一種新型的通過采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵與小通徑電液比例伺服閥相結(jié)合的方式，來實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力流量的控制，從而實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)速度、定位精度等的控制。在基于CAN總線技術(shù)基礎(chǔ)上，通過各種傳感器對液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的位置、速度、系統(tǒng)壓力流量等參數(shù)的采集，由運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行信息的綜合處理形成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)高速、高精度的控制。

機(jī)械設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)控制器；伺服電機(jī)；CAN總線；安全模塊

0 引言

近年來，隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，客戶對液壓機(jī)的速度及定位精度提出了越來越高的要求，低效率高損耗的生產(chǎn)方式已不能滿足市場的需求。傳統(tǒng)的僅通過加大閥的通徑來提高流量從而獲得高速的液壓控制方式其效果往往不盡人意，這主要是由于液壓系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換時(shí)，閥的開口大小不能實(shí)現(xiàn)有效的比例流量控制，造成液壓沖擊甚至影響滑塊定位位置的精確控制。針對以上問題，公司與德國福伊特哈雷公司共同研制開發(fā)了一種混合伺服液壓機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用小通徑電液比例伺服閥與伺服電機(jī)相結(jié)合，通過集成式智能運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力、流量等進(jìn)行精確快速控制，從而大幅提高了液壓機(jī)的運(yùn)行速度、定位精度，在實(shí)現(xiàn)性能的高可靠性和速度的平穩(wěn)過渡的同時(shí)，有效減小了液壓系統(tǒng)壓力流量損失和液壓系統(tǒng)的沖擊噪聲。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該液壓機(jī)的控制系統(tǒng)主要由五個(gè)主體部分組成（圖1）：德國福伊特哈雷公司的集成式智能運(yùn)動(dòng)控制器、德國Baumüller公司的伺服控制器和伺服電機(jī)、力士樂公司的電液比例伺服閥、德國ELGO公司的位移傳感器、西門子公司的工控機(jī)。特別是整套控制系統(tǒng)預(yù)留了至少十個(gè)軸的接口，便于連接機(jī)器人、自動(dòng)上下料裝置等外圍設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的無人自動(dòng)化操作。

1.1 運(yùn)動(dòng)控制器PCU310

PCU310（圖2）是德國福伊特哈雷公司開發(fā)的專用于對液壓機(jī)進(jìn)行控制的專用集成式智能運(yùn)動(dòng)控制器，可實(shí)現(xiàn)對液壓機(jī)的高速度及高精度的控制，在運(yùn)動(dòng)速度方面機(jī)床滑塊空程快下速度可達(dá)600mm/s，工作速度可在5～40mm/s范圍內(nèi)進(jìn)行無級隨動(dòng)適時(shí)調(diào)整，回程速度也可達(dá)到600mm/s。同時(shí)根據(jù)機(jī)床工藝要求可實(shí)現(xiàn)機(jī)床滑塊的定程/定壓控制，并通過PID運(yùn)算的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)在定程控制時(shí)重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01mm，而在實(shí)現(xiàn)定壓控制時(shí)壓力誤差范圍控制在±0.5%以內(nèi)。另外通過簡單的參數(shù)調(diào)整和模具配方的調(diào)用，可以很方便地實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品在不同工藝下的精確控制。

1.2 交流伺服電機(jī)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著微電子技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展，使得將交流伺服電機(jī)運(yùn)用到液壓控制系統(tǒng)中成為現(xiàn)實(shí)，可在不改變泵的排量的前提下，只是通過改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變泵的轉(zhuǎn)速，從而改變泵的輸出流量，同時(shí)也能達(dá)到調(diào)節(jié)執(zhí)行元件速度的目的。在系統(tǒng)中伺服電機(jī)可始終處于高效率的工

作狀態(tài)，系統(tǒng)綜合節(jié)電可達(dá)約20%以上，同時(shí)簡化了液壓回路，減少了液壓系統(tǒng)的能量損失，而且泵也可以選用可靠性高但價(jià)格低廉的定量泵，從而提高了系統(tǒng)的可靠性并降低了生產(chǎn)成本。在此套系統(tǒng)中采用德國Baumüller的伺服控制器和伺服電機(jī)，伺服控制器根據(jù)接收到的運(yùn)動(dòng)控制器PCU310的指令同時(shí)結(jié)合伺服電機(jī)自身編碼器反饋的信號進(jìn)行綜合運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)出指令給伺服電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制，具體接線如圖3所示。

2 CAN通信協(xié)議的應(yīng)用

CAN總線是一種對等式的層間現(xiàn)場總線網(wǎng)，協(xié)議比RS-485協(xié)議更簡單，實(shí)時(shí)性更好，它的信息幀短，不會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間發(fā)送而影響其他節(jié)點(diǎn)訪問總線。由于采用優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當(dāng)發(fā)生總線訪問沖突時(shí)優(yōu)先級高的信息仍可繼續(xù)發(fā)送，因此它更適用于對數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)控制要求較高的系統(tǒng)。另外CAN總線通信協(xié)議和接

口簡單，傳輸速率高，具有多種錯(cuò)誤檢測手段，抗干擾性強(qiáng)，可滿足機(jī)床安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)對高可靠性的要求。再有CAN協(xié)議的最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，可以很容易地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信，因而在鍛壓機(jī)床領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與各檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。

3 安全模塊在系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著安全技術(shù)條件等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺，安全性在機(jī)械制造中得到越來越多的重視。本系統(tǒng)采用Pilz可編程安全模塊對安全閥等進(jìn)行監(jiān)控，通過對安全閥位置反饋的檢測，確保閥的開啟或者關(guān)閉；機(jī)床設(shè)置有爬梯護(hù)欄裝置，通過安全模塊實(shí)現(xiàn)對安全門鎖的檢測，控制機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)保障維護(hù)人員的安全；同時(shí)機(jī)床前后操作面安裝了安全光幕，并通過安全模塊編程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)檢測到危險(xiǎn)時(shí)立即停止滑塊等相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行，并立刻回歸起始位置；另外急?？刂瓢粹o也經(jīng)過安全模塊進(jìn)行控制。部分邏輯圖如4所示。

4 結(jié)束語

此控制系統(tǒng)擁有輸入輸出接口、通信接口等豐富的通信接口，最重要的是具有CAN總線接口，可在復(fù)雜和干擾比較強(qiáng)烈的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行通信。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)得到了較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行快速而無超調(diào)，運(yùn)行效果良好。采用此種控制系統(tǒng)將大大縮短混合伺服液壓機(jī)的成套周期，同時(shí)也降低了對于維護(hù)人員的要求，也不同程度地提升了生產(chǎn)效率。隨著控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必將推動(dòng)液壓機(jī)產(chǎn)業(yè)的變革。

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Control system of hybrid servo hydraulic press based on CAN bus technology

QIAO Lihui，ZHAO Xuesong，WU Guojian
（Hydraulic Machine Tool Co.,Ltd.,Jiangsu Yangli Group,Yangzhou 225009,Jiangsu China）

The traditional way which uses electro-hydraulic proportional control technology to control the opening size of the valves has been broken in the text.A new kind of mode by combining the servo motors driven constant delivery pumps and small diameter electro-hydraulic proportional servo valve has been put forward to achieve pressure and flow control of the hydraulic system.Thus in this way,the control of speed and positioning accuracy of the hydraulic system have been realized.Based on CAN bus technology,a variety of sensors have been used in the hydraulic system to collect the parameters such as actuator positions,velocity,and system pressure&flow rate.The motion controller has been applied to deal with the information integrated to form a closed-loop.Finally,the high speed&accuracy control of the hydraulic system has been achieved.

Motion controller;Servo motor;CAN bus;Security module

TG315.4

B

1672－0121（2012）03－0035－02

2012－02－09

喬禮惠（1979－），男，工程師，從事鍛壓機(jī)械電氣設(shè)計(jì)研究