丹佛斯運動控制器在遠程伺服控制中的應用
引言：伺服位置控制是工業(yè)自動化領(lǐng)域經(jīng)常遇到的控制需求，過去經(jīng)典的解決方案是用運動控制模塊發(fā)送脈沖信號控制步進或伺服驅(qū)動系統(tǒng)。但是隨著生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展，伺服驅(qū)動功率越來越大，控制方法也逐步從脈沖控制變?yōu)楦咚偻ㄓ嵖刂啤５し鹚惯\動控制器能與驅(qū)動器和各種現(xiàn)場總線通訊卡緊密結(jié)合，為用戶提供了可編程開放式的通訊控制接口，是目前市場上性價比最高的通用遠程伺服控制工作站之一。
摘 要：目前生產(chǎn)中用到的較先進的伺服控制系統(tǒng)通常采用專用的運動控制模塊，加上專用的高速通訊總線，再加上專用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成。但是如果以丹佛斯運動控制器作為遠程伺服控制工作站，則往上能適配市場上幾乎全部主流高速現(xiàn)場總線，即適用于任意上位機；往下適配任意同步或異步伺服電機。本文謹以Epsilon SWB 發(fā)泡模機4軸位置伺服控制為例，介紹了丹佛斯運動控制器作為遠程伺服控制工作站的應用辦法和經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞： 伺服控制 現(xiàn)場總線通訊 異步伺服電機 機械抱閘控制
一、 Epsilon SWB發(fā)泡模機運動控制要求：
該機有上模翻轉(zhuǎn)、下模翻轉(zhuǎn)、整體翻轉(zhuǎn)3個角度位置控制和上模升降一個垂直位置控制，定位精度要求都很高。其中上模滿載時重達半噸。
Epsilon SWB發(fā)泡模機的基本機械結(jié)構(gòu)圖。
電驅(qū)動必須實現(xiàn)并滿足如下要求：
1. 發(fā)泡模機在機械上為對稱結(jié)構(gòu)，上模升降、下模翻轉(zhuǎn)和整體翻轉(zhuǎn)這三個基本動作都是由兩邊兩臺電機同時驅(qū)動的，電機和減速機構(gòu)型號規(guī)格完全相同。這樣如何使兩臺剛性連接的電機輸出轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩保持一致，是電氣驅(qū)動需要解決的難題之一。
如果使用同步伺服電機，這將是一個非常困難的控制要求。可行的辦法為令其中一臺同步伺服電機作主機，工作于速度（位置）模式；另一臺同步伺服電機作輔機，工作于轉(zhuǎn)矩模式，其轉(zhuǎn)矩給定值為主伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩值。
圖二、輸出轉(zhuǎn)矩示意圖 |
丹佛斯FC302驅(qū)動器能夠同時帶兩臺異步伺服電機，作電機自適應時只要將電機功率、電機電流設(shè)為2臺異步伺服電機的總合就可以了。
2. 機械抱閘控制
上模非常重，起動時如果驅(qū)動器和機械抱閘配合不好，很容易下溜或上沖。
圖三、機械抱閘控制時序圖 |
丹佛斯FC302驅(qū)動器內(nèi)置起重設(shè)備專用的機械抱閘控制輸出，上圖為其動作的時序圖，電機起動之初是工作于轉(zhuǎn)矩輸出方式的，在機械抱閘逐步松開的過程中，電機控制模式也平滑地從轉(zhuǎn)矩控制模式轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速控制模式。在過渡期間，還可以提升轉(zhuǎn)速控制的PID，有助于進一步提高驅(qū)動器的負載響應能力。
3. 下模翻轉(zhuǎn)和整體翻轉(zhuǎn)是通過曲柄機構(gòu)實現(xiàn)的，因此實際機械角度與電機角位移是非線性關(guān)系
|
圖四、電機角位移-機械翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系圖 |
二、 運動控制的高速總線通訊接口程序編制和定義：
現(xiàn)場總線通訊控制在主站和從站之間傳遞預定字長的過程數(shù)據(jù)，丹佛斯運動控制器在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中作為遠程伺服控制工作站運行，控制命令的執(zhí)行和實際位置、狀態(tài)的反饋全靠過程數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)。為了方便與其他主機的銜接，在參考了西門子FM系列運動控制模塊的控制辦法，再結(jié)合現(xiàn)場總線的控制特點，定義了如下過程數(shù)據(jù)：
表一：過程數(shù)據(jù)PCD定義
表一：過程數(shù)據(jù)PCD定義
PCD1 | PCD2 | PCD3 | PCD4 | |
寫入 | 控制字 | 速度給定 | 位置給定 | 轉(zhuǎn)矩給定 |
讀出 | 狀態(tài)字 | 當前實際速度 | 當前實際位置 | 當前實際轉(zhuǎn)矩 |
其中控制字定義如下：
表二：控制字定義
位 | 位 = 0 | 位 = 1 |
0 | 自由運行 | 伺服鎖定 |
1 | 正轉(zhuǎn) | 反轉(zhuǎn) |
2 | 點動 | |
3 | 轉(zhuǎn)速控制模式 | |
4 | 轉(zhuǎn)矩控制模式 | |
5 | 相對定位控制模式 | |
6 | 絕對定位控制模式 | |
7 | 回零位 | |
8 | 故障復位 | |
9 | 動作完成標志清除 | |
10-15 | 保留 |
狀態(tài)字定義如下：
表三：狀態(tài)字定義
位 | 位 = 0 | 位 = 1 |
0 | 無正轉(zhuǎn)限位信號 | 正轉(zhuǎn)限位信號動作 |
1 | 無反轉(zhuǎn)限位信號 | 反轉(zhuǎn)限位信號動作 |
2 | 機械制動抱緊 | 機械制動釋放 |
3 | 運動過程中 | 動作完成 |
4 | 驅(qū)動系統(tǒng)正常 | 驅(qū)動系統(tǒng)報警 |
5 | 運動控制器控制就緒 | |
6 | 回零位完成 | |
7-15 | 保留 |
三、 丹佛斯運動控制器簡介：
丹佛斯運動控制器是與丹佛斯的FC300系列驅(qū)動器緊密
結(jié)合的，其接口如圖所示：
X55為編碼器2輸入接口，缺省用于連接從電機編碼器；
X56為編碼器1輸入接口，缺省用于連接主電機編碼器；
X57為10數(shù)字量輸入接口；
X58為24VDC電源；
X59為8數(shù)字量輸出接口。
丹佛斯運動控制器的編程方式
丹佛斯運動控制器使用丹佛斯公司開發(fā)的Aposs運動控制語言，其編程風格模仿C語言，并提供多種便利指令，其界面如下圖所示：
丹佛斯運動控制器能提供如下基本功能：
1． 輸入輸出邏輯控制功能；
2． 同步控制功能，電子凸輪；
3． 定位控制功能；
4． 中斷功能，如時間中斷，I/O中斷等；
5． 基本數(shù)學、邏輯運算功能；
……
丹佛斯運動控制器支持的高速通訊協(xié)議：
Profibus、CANopen、DeviceNet、Interbus、LonWorks、工業(yè)以太網(wǎng)
……
丹佛斯運動控制器程序例（部分）：
//HOME MODE 1
IF (step==16) THEN
homevel = GET HOME_VEL
IF (home_done==0) THEN
servo_on = 1
IF (svon_dlyt.2==1) THEN
IF (homevel>0 AND ls_fwd==0) OR (homevel<0 AND ls_rev==0) THEN
IF (home_dog==1) THEN
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
step = 17
ELSE
ACC 50
CVEL homevel
CSTART
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
IF (home_dog==1) THEN
step = 17
ELSE
step = 18
ENDIF
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
step = 10
ENDIF
ENDIF
四、 主控PLC的編程辦法：
主機中關(guān)于運動控制部分的子程序可以按如下邏輯框圖編程：
程序例：
（略）
使用效果：
系統(tǒng)實際運行效果非常理想，響應速度快、速度平穩(wěn)，完全達到了控制技術(shù)要求。通用的丹佛斯遠程控制器達到了替代專用PLC運動控制模塊的作用。FC302的優(yōu)異性能，保障了定位精度。由于自定義的通訊過程數(shù)據(jù)、控制字定義清晰簡潔，主機控制程序開發(fā)變得更容易了。
結(jié)束語：
使用西門子的PLC加西門子的位置控制模塊，編程會是一個艱巨而繁復的工作，但是利用Profibus現(xiàn)場通訊總線直接控制控制丹佛斯的運動控制器，將繁復的程序功能交給遠程伺服工作站以分布式方式處理，不但可以節(jié)省系統(tǒng)成本，還大大提高了整機開發(fā)速度，值得在自動化控制領(lǐng)域推廣。
使用西門子的PLC加西門子的位置控制模塊，編程會是一個艱巨而繁復的工作，但是利用Profibus現(xiàn)場通訊總線直接控制控制丹佛斯的運動控制器，將繁復的程序功能交給遠程伺服工作站以分布式方式處理，不但可以節(jié)省系統(tǒng)成本，還大大提高了整機開發(fā)速度，值得在自動化控制領(lǐng)域推廣。
參考文獻
[1] FC300編程指南. MG.33.M4.41. Danfoss A/S. 2008
[2] 運動控制器MCO305使用說明. MG.33.K2.02. Danfoss A/S. 2007
[3] 運動控制器MCO305設(shè)計指南. MG.33.L2.02. Danfoss A/S. 2007
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