伺服位置控制是工業(yè)自動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制模塊發(fā)送脈沖信號(hào)控制步進(jìn)或伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但是隨著生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)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?。丹佛斯運(yùn)動(dòng)控制器能與驅(qū)動(dòng)器和各種現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)上性價(jià)比的通用遠(yuǎn)程伺服控制工作站之一。

    一、 Epsilon SWB發(fā)泡模機(jī)運(yùn)動(dòng)控制要求

    圖為Epsilon SWB發(fā)泡模機(jī)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)有上模翻轉(zhuǎn)、下模翻轉(zhuǎn)、整體翻轉(zhuǎn)3個(gè)角度位置控制和上模升降一個(gè)垂直位置控制，定位要求都很高。其中上模滿載時(shí)重達(dá)半噸。

    電驅(qū)動(dòng)必須實(shí)現(xiàn)并滿足如下要求：

    1. 發(fā)泡模機(jī)在機(jī)械上為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，上模升降、下模翻轉(zhuǎn)和整體翻轉(zhuǎn)這三個(gè)基本動(dòng)作都是由兩邊兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的，電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)型號(hào)規(guī)格完全相同。這樣如何使兩臺(tái)剛性連接的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)矩保持一致，是電氣驅(qū)動(dòng)需要解決的難題之一。

    如果使用同步伺服電機(jī)，這將是一個(gè)非常困難的控制要求。可行的辦法為令其中一臺(tái)同步伺服電機(jī)作主機(jī)，工作于速度（位置）模式；另一臺(tái)同步伺服電機(jī)作輔機(jī)，工作于轉(zhuǎn)矩模式，其轉(zhuǎn)矩給定值為主伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值。

    但是如果使用異步伺服電機(jī)，用一臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，利用異步電機(jī)的固有特性，可以方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，并且轉(zhuǎn)矩輸出一致。右圖為此種運(yùn)行模式時(shí)兩臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，可見輸出轉(zhuǎn)矩的不平衡是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差特性不同造成的，這個(gè)問題可以用選擇相同廠家相同型號(hào)電機(jī)的辦法解決，而且是選額定轉(zhuǎn)差比較大的異步電機(jī)。

    圖二、輸出轉(zhuǎn)矩示意圖

    丹佛斯FC302驅(qū)動(dòng)器能夠同時(shí)帶兩臺(tái)異步伺服電機(jī)，作電機(jī)自適應(yīng)時(shí)只要將電機(jī)功率、電機(jī)電流設(shè)為2臺(tái)異步伺服電機(jī)的總合就可以了。

    2. 機(jī)械抱閘控制

    上模非常重，起動(dòng)時(shí)如果驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械抱閘配合不好，很容易下溜或上沖。

    圖三、機(jī)械抱閘控制時(shí)序圖

    丹佛斯FC302驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置起重設(shè)備專用的機(jī)械抱閘控制輸出，上圖為其動(dòng)作的時(shí)序圖，電機(jī)起動(dòng)之初是工作于轉(zhuǎn)矩輸出方式的，在機(jī)械抱閘逐步松開的過程中，電機(jī)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(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載響應(yīng)能力。

    3. 下模翻轉(zhuǎn)和整體翻轉(zhuǎn)是通過曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)際機(jī)械角度與電機(jī)角位移是非線性關(guān)系

    圖四、電機(jī)角位移-機(jī)械翻轉(zhuǎn)角度關(guān)系圖

    這要靠運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部運(yùn)算或用查表插值運(yùn)算的辦法解決。

    二、 運(yùn)動(dòng)控制的高速總線通訊接口程序編制和定義

    現(xiàn)場(chǎng)總線通訊控制在主站和從站之間傳遞預(yù)定字長(zhǎng)的過程數(shù)據(jù)，丹佛斯運(yùn)動(dòng)控制器在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中作為遠(yuǎn)程伺服控制工作站運(yùn)行，控制命令的執(zhí)行和實(shí)際位置、狀態(tài)的反饋全靠過程數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)。為了方便與其他主機(jī)的銜接，在參考了西門子FM系列運(yùn)動(dòng)控制模塊的控制辦法，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線的控制特點(diǎn)，定義了如下過程數(shù)據(jù)：

    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(dāng)前實(shí)際速度 當(dāng)前實(shí)際位置 當(dāng)前實(shí)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(yùn)行 伺服鎖定

    1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)

    2 點(diǎn)動(dòng)

    3 轉(zhuǎn)速控制模式

    4 轉(zhuǎn)矩控制模式

    5 相對(duì)定位控制模式

    6 定位控制模式

    7 回零位

    8 故障復(fù)位

    9 動(dòng)作完成標(biāo)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(hào) 正轉(zhuǎn)限位信號(hào)動(dòng)作

    1 無反轉(zhuǎn)限位信號(hào) 反轉(zhuǎn)限位信號(hào)動(dòng)作

    2 機(jī)械制動(dòng)抱緊 機(jī)械制動(dòng)釋放

    3 運(yùn)動(dòng)過程中 動(dòng)作完成

    4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)報(bào)警

    5 運(yùn)動(dòng)控制器控制就緒

    6 回零位完成

    7-15 保留

    三、 丹佛斯運(yùn)動(dòng)控制器

    丹佛斯運(yùn)動(dòng)控制器是與丹佛斯的FC300系列驅(qū)動(dòng)器緊密

    結(jié)合的，其接口如右圖所示：

    X55為編碼器2輸入接口，缺省用于連接從電機(jī)編碼器；

    X56為編碼器1輸入接口，缺省用于連接主電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制器的編程方式

    丹佛斯運(yùn)動(dòng)控制器使用丹佛斯公司開發(fā)的Aposs運(yùn)動(dòng)控制語言，其編程風(fēng)格模仿C語言，并提供多種便利指令，其界面如下圖所示：

    1 普通剩余電流保護(hù)器工作原理

    丹佛斯運(yùn)動(dòng)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(shí)間中斷，I/O中斷等；

    5. 基本數(shù)學(xué)、邏輯運(yùn)算功能；

    ……

    丹佛斯運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)中關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制部分的子程序可以按如下邏輯框圖編程：

    五、使用效果

    系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果非常理想，響應(yīng)速度快、速度平穩(wěn)，完全達(dá)到了控制技術(shù)要求。通用的丹佛斯遠(yuǎn)程控制器達(dá)到了替代專用PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊的作用。FC302的優(yōu)異性能，保障了定位。由于自定義的通訊過程數(shù)據(jù)、控制字定義清晰簡(jiǎn)潔，主機(jī)控制程序開發(fā)變得更容易了。

    六、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(huì)是一個(gè)艱巨而繁復(fù)的工作，但是利用Profibus現(xiàn)場(chǎng)通訊總線直接控制控制丹佛斯的運(yùn)動(dòng)控制器，將繁復(fù)的程序功能交給遠(yuǎn)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(jī)開發(fā)速度，值得在自動(dòng)化控制領(lǐng)域推廣。