多轴运动控制器及其应用

性和系统的可扩展性 ) 定义了一个虚构轴 ) 用来给出无 并 赋 予 实 际 意 义 VV 系 统 的 原 材 料 误 差的 精 确 位 置 ) 加工速度 + 于是所有电机的正常运行转换成按照相应 左右两个 , 的比例电子啮合于虚构轴 + . /分别建立虚 拟 轴同 步于前 者 ) 为 各 自 运 行 提 供 参 照) 控 制 卷 取 机7 开卷机的转速和储片架 F 飞剪的动作 + 储片架用来保持 胶片的恒定张力和作为换卷时的胶片缓冲区 +
图 , 胶片生产系统的机械结构
图 U 胶片生产系统的控制硬件组成
作为整个系统协调的 L % D负 责 检 查 设 备 和 网 络 的工况 ) 通过以太网与更高一层企业信息网通讯 + 在6 借助 G 使用 = , . /中 ) CD E C%的规定 ) 6 8通 把需要 传送 的 变 量 放 在 一 段 连 续 的 用 户 变 讯 协议 时 ) 量 地 址 处) 就可以让 L 在后台主动处 % D作 为 扫 描 站 ) 理各个运动控制器之间 F 它们和 L 触摸屏的 S & N R W# N X( 人机交互界面 * 之间的数据交换 + 这样 G C%编程显得 只要处理安全问题和关注生产工艺流程 ) 将 非常简单 ) 精 力放 到如何 优化相 关 多 个 电 机 的 协 调 运 行 策 略 ) 提 高全局的性能 + 实时性要求较高的开关量使用 = 6 8位 传送 ) 在L % D的每个扫描周期都能被更新一次 + 实时 性 要求 较低的 系统运 行 的 设 置 参 数 F 供显示及错误诊 断 的信 息使用 块 传 送 ) 一个块最多可以传送 1 9个 字 + 鉴 于任 何时刻 网络上 最 多 只 能 有 一 个 块 在 被 传 输 ) 在 L % D中要使用 互锁 机制轮 流处理 各个 块的传 输动作 + 3 R N " 6 8 连接关系设备和人身安全的信号 + 运 行中 的定 位 问 题 ( 即在 ) = N Y # $ M O S M # Q &L O Q Z R N <* 控制精度 每 个单 元的固 定位置 准 确 地 进 行 特 殊 处 理 ) 要求比较高 + 分析了产生误差的两种来源 ) 采用如下算 法H 对于换 卷时产 生 的 错 位 ) 进 行 长 调 整) 用增量式位 移把矫正位置叠加到对应轴上 I 对于原材料本身定长
第, ,卷第 %期增刊
仪
器
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表
学
Hale Waihona Puke Baidu
报
, # # "年 $月
多轴运动控制器及其应用
陈兴平
摘要
郝
新
张曾科
徐文立
清华大学自动化系 !
北京
" # # # $ % &
从多轴运动 控 制 的 角 度 介 绍 美 国 ’(公 司 的 ) 编程软件 0 给出了一个胶片生 " . %为 例 的 多 轴 运 动 控 制 器 的 硬 件 / / *+ , *1 产 系统的应用实例2利用其灵活多样的控制手段和强大的通讯能力/ 形成相互协调的控制网络/ 使得复杂的系统设计变得简单可 靠 2 结合电子啮合方式灵活性 / 通过前馈和变啮合比例等方法提升多轴系统的整体协调性能 2 多轴运动控制器 0 *1编程语言
> 运动控制器的 ? @A编程语言
在 B# . & "操 作 系 统 下 对 6 CD E系 列 的 运 动 控 制 器 编 程F 离 线 开 发F 在 线 控 制 执 行 和 监 测) G C% 是 面 向 过 程 控制的编程 语言 ) 图形化的程序按照控制流程 顺 序执行功能块 ) 特别 适 用 于 熟 悉 对 象 的 工 程 技 术 人 员+ 专 注 于 多 轴 传 动 系 统 的 协 调 与 控 制) G C% 中 定 义 了 三 种类型的轴 H 物理轴指用轴模块控制驱动的电 机I 虚构轴指没有力矩输出的按理想方式运行的电机 ) 实际上并不存在 ) 编程时可做精确参考基准 I 虚拟轴指 本, 上 的 通 过 与 另 一 个 上 . / , . / 的物理 !" # $ % # & ’ 轴或者虚构轴以 , J,相啮合形成的轴 + 主从轴之间能线性配合 ) 编程方式特别灵活 H 模拟 正 反 向齿轮啮合 I 同 步 异 步 啮 合I 啮 合 中 在 线 变 化 率F 变方 向 I 参照标 准 既 可 取 给 定 位 置 ) 也 可 是 实 际 位 置+ 啮合比例可使用小数或者分数 ) 实现无级换档 + G C% 还 提 供 了 主 从 轴 之 间 的 非 线 性 关 系 的 传 动) 其实现是基 于主从 轴 对 应 位 置 关 系 表 或 者 基 于 位 置与时刻对应关系表的 ) 特别适用于工具制造系统 + 对 于 各 种原因引起的扰动 ) 能使用增量式的位移把数值 相对较小的反馈和前馈的叠加到基本线性比例之上进 行补偿 ) 进一步提高控制的精度 + 由于采用了高速 K 电机加速曲线可以选 E L器件 ) 择 梯 形F 抛 物 线 形F 很容易实现换档时的平 E弧 线 形 ) 滑过度 ) 减少对机械装置的冲击 + 6 & M N O P Q R S M # Q &模块更 能实现内部几个轴在多维空间上的轨迹伺服控制 +
} / ’W W J K ! w Q x W "Q y y R |O Q K " M K N#M u I0 w Q O I M y*R u M R K+ R K u w R W 1 Q K N U Q N J { R W W R #J x! "M u vQ O O W M y Q u M R Ku RQ{ M W |O w R }
" * 和力矩的向后反馈以电子讯号的方式分别实现 ) 2但
是这两个方面之间的联系容易被忽略 2 实际生产中的 负载常有的不对称性 / 会破坏整个系统的协调 2 结合电 子啮合方式灵活性 / 针对在实际项目中的不同问题 / 采 取适当的措施可以改善多轴运动控制系统的性能 2
万方数据
第 /期增刊
多轴运动控制器及其应用
T 应用实例
如 图 ,所 示 胶 片 生 产 系 统 连 续 运 行 时 ) 机 架 GU 为整个系统的运行参考标准 ) 系统控制 硬 件 如图 U 在 ) 中间的 , 其余三个机架按照生产工艺规定的实 . /内 ) 万方数据 数比例从动于前者 + 为了提高对系统操作人员的透明
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关键词
3 1 +
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多轴运动控制系统在电气传动中占有非常重要的 位 置/ 广 泛 应 用 于 轧 钢( 有 色 金 属 轧 制( 造 纸( 胶片生 纸制品生产等工业领域 2 而多电机的控制策略关注 产( 于 如何使不同电机之 间 的 运 动 控 制 有 机 协 调 起 来 / 达 到系统整体的全局性能的最优化是其最终目的 2 计 算机 控 制 的 发 展 ( 功率电子器件和高性能伺服 电机帮助人们挣脱了机械齿轮传动的束缚 2 系统中每 个 轴 可使用单独的电机 提 供 能 量 和 力 矩 / 用电子通讯 模拟齿轮组的机械联系 / 将速度 ( 位置关系的向前传递
’ 引
言
+ 多轴运动控制器的硬件结构
选用成熟的多轴运动控制产品是设计高性能系统 的有力保障 2 为满足对多轴控制系统快速发展的需求 / 世界主要自动化设备的生产厂商都陆续推出了自己的 多轴运动控制器产品 2 本文下面以国内应用较广泛的 " . %系列运动控制器为例介绍 2 ’(公司的 ) *+ , 是 模 块 化 设 计的多轴运动控制和电机驱动 " . % 系 列2 每 个 系 统 模 块 最 大 可 以 附 加 两 个 输 出 功 率 分别单独控制一个 , $ T #和两个 . T # 的 轴 模 块/ 可 直 接 用 导 线 连 接/ 不需要 $ # / % 0 # 1 三 相 交 流 电 机/ 再 外接 变 送 器 或 者 变 压 器 / 能连续提供 # 2 3. #牛 顿米的力矩 2 轴模块利用 ) 0 ( 4 提供高效的工作电源 / 系 统模 块内置 5 辅 助处理 数字 化调节 速度和 电 流 / , 3 环补偿 2 运 动控 制器与 3 计算 机以及 其它运 动控 制 器 ( 1 + 之间 / 都提供了强大的网络通信功能 2 通讯方式上不但 提供了标准的 6 还有 } , , / } % , , / % $ .的 接 口 / , 6 , 5 P} 即 6 波特率最高为 , 和 / # % & 6 J |R u J) 7! ) 7/ T ! O v
上接第 # ‘ % *页 a
单元间的微小间隙变化 ! 进行短调整 ! 经过测量分析发 现这种变化是 连续的 ! 于是 将误差 通过 E S H 算 法 来平 滑地 调 节 轴 间 的 啮 合 比 例 ! 这与刘建成‘ 音a 等人在
$ c 文b 中的控制策略不谋而合 ’
实 际生 产 半 年 来 的 使 用 效 果 表 明 ! 控制精度达到 了设计要求 ! 合作双方都很满意 ’ 参考文献
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连接运动控制器的高速通信链路 ) 数据传输 ( !" # $ % # & ’ 可 供 选 择 使 用+, 时间为微 秒 级 * . /之 间 基 于 !" # $ 0 /个伺服 电 机 在统 一 指 挥 % # & ’的通讯最多可以使得 1 并实时交换少量位信号 + 下组成实际控制系统网 ) 每 个 系 统 模 块 可 以 直 接 管 理 2个 3 7 % 4 56 8模 块) 实现与对应 电机动 作 相 互 配 合 的 开 关 量 和 模 拟 量 的 输入输出 ) 用 于保证 各 个 控 制 动 作 在 时 序 上 的 正 确 性 + 所有系统变量和输入输出的更新周期最短能达到 9 : ; +使用 = <$ 6 8 可以进一步扩充系统中的 6 8 点数 +