基于EtherCAT總線的無軸膠印系統(tǒng)的設(shè)計

徐俊鋒，唐厚君

XU Jun-feng,TANG Hou-jun

（上海交通大學 電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

傳統(tǒng)高精度膠印系統(tǒng)采用的是長主軸驅(qū)動印刷，各機組間的同步依賴于高精度的齒輪，但這種系統(tǒng)有著諸多缺點，比如長主軸上力矩不平衡，齒輪存在機械損耗等，對于長期運行非常不利。無軸膠印系統(tǒng)則取消了齒輪傳動，改為在每個機組上都配備自己的軸，通過總線控制來達到各軸的同步，由于采用了電機位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)三環(huán)PID閉環(huán)伺服控制，有效地減小了機械損耗帶來的影響，抗干擾性變強。本系統(tǒng)是基于罐體膠印項目而開發(fā)的， 硬件上包括執(zhí)行電機，伺服系統(tǒng)，控制器，PC上位機，軟件上包括伺服參數(shù)調(diào)節(jié)，控制器參數(shù)調(diào)節(jié)及程序設(shè)計，上位機程序設(shè)計，所以可以作為膠印系統(tǒng)的典型案例。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概況

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主要由EhterCAT主站與EtherCAT從站及PC上位機組成。EtherCAT主站使用的是運動控制器；從站包括伺服驅(qū)動器，執(zhí)行電機，減速機，實際軸；上位機為PC，主要負責人機交互與膠印系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn)。罐體膠印是個十軸系統(tǒng)，包括膠版輪，芯軸轉(zhuǎn)盤，傳輸輪，傳輸鏈輪和6個印版輥。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主站控制器介紹

主站控制器采用了Trio公司的運動控制器，控制器主要功能是通過EtherCAT控制并監(jiān)控從站的運動，與上位機通過以太網(wǎng)通信，并負責調(diào)節(jié)電機伺服控制中的位置環(huán)?？刂破髂芸刂贫噙_64軸,罐體膠印項目需控制10個軸，完全滿足實際需求；控制器采用模塊化設(shè)計，能根據(jù)實際需求增減硬件模塊,具有很高的可擴展性；控制器帶有自己的TrioBasic編程語言，能對控制器進行編程并支持多線程，縮短了軟件開發(fā)周期，Motion Perfect軟件提供了一個TrioBasic程序的調(diào)試環(huán)境，能監(jiān)控控制器上的變量與表格數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，電機設(shè)置及運行參數(shù)；控制器最多支持256個外部IO口，提供了豐富的外部接口；控制器可通過10/100M Ethernet局域網(wǎng)與上位機通信，同時可基于MFC（Microsoft Foundation Class）庫和其ActiveX控件進行上位機編程，完成膠印流程邏輯和人機界面編寫。

3 從站系統(tǒng)設(shè)計

從站主要由伺服驅(qū)動器和電機組成。電機采用交流永磁同步電機，結(jié)構(gòu)相對簡單，效率高，基于矢量控制，具有精度高，動態(tài)性能好，調(diào)速范圍大等優(yōu)點。電機自帶內(nèi)置增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，線數(shù)為2500線，4倍頻，可達到精度為0.036度。編碼器信號實時反饋給伺服同時也通過EtherCAT反饋給主站。每個伺服驅(qū)動器通過EtherCAT模塊與其他伺服驅(qū)動器及主站構(gòu)成級聯(lián)拓撲，對于EtherCAT站點，當封包到達時，它只取出接受封包中發(fā)給自己的部分，然后在接受封包中添加自己給目標站點部分并向下一個站點發(fā)送，而非點對點封包傳輸，所以相比于星型或環(huán)形等其他拓撲，效率是一樣的，這也是EtherCAT作為總線控制協(xié)議的優(yōu)越之處。在控制算法上，伺服驅(qū)動器根據(jù)矢量控制原理進行電流環(huán)和速度環(huán)兩環(huán)控制。

4 相位差精度調(diào)節(jié)

4.1 伺服參數(shù)調(diào)節(jié)

伺服中主要含有電機三環(huán)控制中的電流環(huán)和速度環(huán)。參數(shù)一般由伺服的自調(diào)諧測試確定，閉環(huán)矢量控制模式下有5種自調(diào)諧測試：短時低速測試，標準低速測試，慣性測量測試，設(shè)置電流控制器增益的穩(wěn)態(tài)測試，最小運動測試。在標準低速測試中，驅(qū)動器給電機施加額定電流并測量編碼器相角，同時測得電機電阻和電感并設(shè)置電流環(huán)增益；慣性測試用于測量負載及電機總慣性，并設(shè)置速度環(huán)增益；設(shè)置電流控制器增益的穩(wěn)態(tài)測試可測量定子電阻、電機瞬態(tài)電感并可計算電流環(huán)增益及更新電流環(huán)增益參數(shù)。做完以上自調(diào)諧后，在速度模式下運行，電機能穩(wěn)定運行，表明伺服參數(shù)調(diào)節(jié)完畢。

4.2 電機位置環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)

因為在膠印中精度一般要達到0.5mm，所以以印版輥直徑126.873mm來算，允許的角度偏差為0.5度。位置環(huán)首先應(yīng)該調(diào)節(jié)比例增益，合適的比例增益使得響應(yīng)為臨界阻尼響應(yīng)，既不過阻尼又不致于超調(diào)過度而產(chǎn)生振蕩。圖2為調(diào)節(jié)后通過Motion Perfect軟件上示波器得到的最佳臨界阻尼響應(yīng)時曲線。紅線表示理想時間位置曲線，綠線為實際時間位置響應(yīng)曲線。

圖2 位置臨界阻尼響應(yīng)曲線

對于同一電機與伺服，PID不僅與負載有關(guān)，還與運行轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以在高轉(zhuǎn)速時，需要在原先基礎(chǔ)上對比例增益進行重新調(diào)節(jié)，以達到電機能在期望速度勻速運轉(zhuǎn)沒有震蕩，此時調(diào)節(jié)可以容許稍大的跟隨誤差，因為跟隨誤差可以通過調(diào)節(jié)其他參數(shù)減小它。

調(diào)節(jié)好比例增益之后，開始調(diào)節(jié)速度前向反饋增益，它與期望位置的變化量成正比，它的作用是減小高速運動時的跟隨誤差。

輸出速度增益與實際位置的變化量成正比，它可以使系統(tǒng)響應(yīng)曲線變平滑但會增大更隨誤差。根據(jù)實際調(diào)試結(jié)果，對系統(tǒng)影響不大，故設(shè)為0。

最后調(diào)節(jié)微分增益和積分增益，微分增益的作用是減小系統(tǒng)振蕩，而積分增益的作用是減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分增益調(diào)節(jié)范圍非常大，從3到50均可，對數(shù)值敏感度不大。積分增益可以對穩(wěn)態(tài)誤差進行微調(diào)，最終確定的一組印版輥位置環(huán)參數(shù)如表1所示。

表1 位置環(huán)參數(shù)

為了測試相位差精度是否滿足要求，在上位機上編寫了一個檢測程序，在電機運行在期望速度時讀取相位差值進行分析。圖3為連續(xù)讀取的10000個點的印版輥兩軸間相位差值曲線，可見相位差均穩(wěn)定在了0.5度以下。

圖3 印版輥兩軸間相位差統(tǒng)計圖

5 上位機程序設(shè)計

上位機控制系統(tǒng)涉及與EtherCAT主站通訊，人機界面，手控面板，遠程監(jiān)控，參數(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫等部分。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 上位機總體框圖結(jié)構(gòu)

通訊可以選擇同步通信或異步通信，同步通信調(diào)用Trio的ActiveX控件的庫函數(shù)，但程序必須等到函數(shù)返回才能繼續(xù)執(zhí)行，一次通信時間約為30ms，對于本系統(tǒng)基本不影響實時性，但若遇上網(wǎng)線短線或控制器斷電的情況，庫函數(shù)返回時間會增加到5秒，在界面上影響了用戶體驗。而異步通信則調(diào)用Trio通道0的命令行指令，實現(xiàn)方法是再開個通信線程專門負責收發(fā)數(shù)據(jù)，收發(fā)周期為50ms，在每個周期內(nèi)，將發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時從ActiveX控件中的接收緩存中讀取收到的數(shù)據(jù)，一次發(fā)送數(shù)據(jù)對應(yīng)的回復數(shù)據(jù)可能在多個周期分段收到，所以需要對接收到的數(shù)據(jù)進行結(jié)束符判別并解析。異步通信實時性與同步相當，但是遇到通信錯誤時能比同步通信更快響應(yīng)。

人機界面搭建于MFC平臺上，主要原則是簡單實用，可靠，有擴展性，所以用面向?qū)ο蟮姆椒▽丶M行重新封裝。因MFC庫文件中復選框，編輯框等控件尺寸太小，不滿足工業(yè)條件，所以要基于靜態(tài)控件重新編寫。界面主要分為主界面，參數(shù)調(diào)節(jié)界面，手動調(diào)試界面，輸入調(diào)試界面，輸出調(diào)試界面，遠程調(diào)試界面等。圖5為主界面截圖。

圖5 上位機主界面

手控面板主要用途是便于操作，與觸摸板對應(yīng)按鍵具有相同的觸控效果，主要包括啟動，停止，急停，手控模式選擇鍵，手控軸選擇鍵等常用按鍵。它作為輸入口與EtherCAT主站連接，邏輯實現(xiàn)則在上位機上實現(xiàn)。

遠程監(jiān)控模塊是通過以太局域網(wǎng)與遠端PC連接，便于監(jiān)控室對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)控。

數(shù)據(jù)庫記錄著操作員操作歷史記錄，系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)事件，搭建與SQL Server 2008,便于系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理。

主程序主要有四個線程，第一個線程為MFC人機界面線程，負責界面顯示機觸屏操作響應(yīng)；第二個線程為通信線程，負責與主站異步通信時數(shù)據(jù)收發(fā)；第三個線程為監(jiān)控器線程，通過通信線程讀取主站IO口的值并發(fā)送相應(yīng)消息；第四個線程為流程控制器線程，實際上為一個狀態(tài)機，是膠印系統(tǒng)的核心邏輯實現(xiàn)部分。

6 結(jié)束語

本文基于罐體無軸膠印系統(tǒng)，提供了基于EtherCAT無軸膠印的解決方案，完整的開發(fā)了自下位機至上位機的系統(tǒng)程序，實驗結(jié)果證明無軸系統(tǒng)可以滿足膠印的精度要求。

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