丹佛斯运动控制器在远程伺服控制中的应用

摘要：目前生产中用到的较先进的伺服控制系统通常采用专用的运动控制模块，加上专用的高速通讯总线，再加上专用的伺服驱动系统组成。但是如果以丹佛斯运动控制器作为远程伺服控制工作站，则往上能适配市场上几乎全部主流高速现场总线，即适用于任意上位机；往下适配任意同步或异步伺服电机。本文谨以Epsilon SWB 发泡模机4轴位置伺服控制为例，介绍了丹佛斯运动控制器作为远程伺服控制工作站的应用办法和经验。
 
引言：伺服位置控制是工业自动化领域经常遇到的控制需求，过去经典的解决方案是用运动控制模块发送脉冲信号控制步进或伺服驱动系统。但是随着生产和技术发展，伺服驱动功率越来越大，控制方法也逐步从脉冲控制变为高速通讯控制。丹佛斯运动控制器能与驱动器和各种现场总线通讯卡紧密结合，为用户提供了可编程开放式的通讯控制接口，是目前市场上性价比最高的通用远程伺服控制工作站之一。

一、Epsilon SWB发泡模机运动控制要求：
 
图1为Epsilon SWB发泡模机的基本机械结构图。

图1

该机有上模翻转、下模翻转、整体翻转3个角度位置控制和上模升降一个垂直位置控制，定位精度要求都很高。其中上模满载时重达半吨。
 
电驱动必须实现并满足如下要求：

1.发泡模机在机械上为对称结构，上模升降、下模翻转和整体翻转这三个基本动作都是由两边两台电机同时驱动的，电机和减速机构型号规格完全相同。这样如何使两台刚性连接的电机输出转速输出转矩保持一致，是电气驱动需要解决的难题之一。
如果使用同步伺服电机，这将是一个非常困难的控制要求。可行的办法为令其中一台同步伺服电机作主机，工作于速度（位置）模式；另一台同步伺服电机作辅机，工作于转矩模式，其转矩给定值为主伺服电机的输出转矩值。
 
但是如果使用异步伺服电机，用一台伺服驱动器同时驱动两台电机，利用异步电机的固有特性，可以方便地实现转速同步，并且转矩输出一致。右图为此种运行模式时两台电机的输出转矩，可见输出转矩的不平衡是由于电机的转矩-转差特性不同造成的，这个问题可以用选择相同厂家相同型号电机的办法解决，而且最好是选额定转差比较大的异步电机。

图2 输出转矩示意图

丹佛斯FC302驱动器能够同时带两台异步伺服电机，作电机自适应时只要将电机功率、电机电流设为2台异步伺服电机的总合就可以了。
 
2.机械抱闸控制
上模非常重，起动时如果驱动器和机械抱闸配合不好，很容易下溜或上冲。

图3 机械抱闸控制时序图

丹佛斯FC302驱动器内置起重设备专用的机械抱闸控制输出，上图为其动作的时序图，电机起动之初是工作于转矩输出方式的，在机械抱闸逐步松开的过程中，电机控制模式也平滑地从转矩控制模式转换为转速控制模式。在过渡期间，还可以提升转速控制的PID，有助于进一步提高驱动器的负载响应能力。
 
3.下模翻转和整体翻转是通过曲柄机构实现的，因此实际机械角度与电机角位移是非线性关系

图4 电机角位移-机械翻转角度关系图

这要靠运动控制器内部运算或用查表插值运算的办法解决。
 
二、运动控制的高速总线通讯接口程序编制和定义：
 
现场总线通讯控制在主站和从站之间传递预定字长的过程数据，丹佛斯运动控制器在现场总线网络中作为远程伺服控制工作站运行，控制命令的执行和实际位置、状态的反馈全靠过程数据交互实现。为了方便与其他主机的衔接，在参考了西门子FM系列运动控制模块的控制办法，再结合现场总线的控制特点，定义了如下过程数据：

表1 过程数据PCD定义

 PCD1PCD2PCD3PCD4写入控制字速度给定位置给定转矩给定读出状态字当前实际速度当前实际位置当前实际转矩

其中控制字定义如下：

表2 控制字定义

位位 = 0位 = 10自由运行伺服锁定1正转反转2 点动3 转速控制模式4 转矩控制模式5 相对定位控制模式6 绝对定位控制模式7 回零位8 故障复位9 动作完成标志清除10-15 保留

状态字定义如下：

表3 状态字定义

位位 = 0位 = 10无正转限位信号正转限位信号动作1无反转限位信号反转限位信号动作2机械制动抱紧机械制动释放3运动过程中动作完成4驱动系统正常驱动系统报警5 运动控制器控制就绪6 回零位完成7-15 保留

三、丹佛斯运动控制器简介：
 
丹佛斯运动控制器是与丹佛斯的FC300系列驱动器紧密结合的，其接口如图所示：

X55为编码器2输入接口，缺省用于连接从电机编码器；
X56为编码器1输入接口，缺省用于连接主电机编码器；
X57为10数字量输入接口；
X58为24VDC电源；
X59为8数字量输出接口。
 
丹佛斯运动控制器的编程方式

丹佛斯运动控制器使用丹佛斯公司开发的Aposs运动控制语言，其编程风格模仿C语言，并提供多种便利指令，其界面如下图所示：

丹佛斯运动控制器能提供如下基本功能：
1．输入输出逻辑控制功能；
2．同步控制功能，电子凸轮；
3．定位控制功能；
4．中断功能，如时间中断，I/O中断等；
5．基本数学、逻辑运算功能；
……
 
丹佛斯运动控制器支持的高速通讯协议：
Profibus、CANopen、DeviceNet、Interbus、LonWorks、工业以太网
……

丹佛斯运动控制器程序例（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的编程办法：

主机中关于运动控制部分的子程序可以按如下逻辑框图编程：

程序例：
（略）
 
使用效果：
系统实际运行效果非常理想，响应速度快、速度平稳，完全达到了控制技术要求。通用的丹佛斯远程控制器达到了替代专用PLC运动控制模块的作用。FC302的优异性能，保障了定位精度。由于自定义的通讯过程数据、控制字定义清晰简洁，主机控制程序开发变得更容易了。
 
结束语：使用西门子的PLC加西门子的位置控制模块，编程会是一个艰巨而繁复的工作，但是利用Profibus现场通讯总线直接控制控制丹佛斯的运动控制器，将繁复的程序功能交给远程伺服工作站以分布式方式处理，不但可以节省系统成本，还大大提高了整机开发速度，值得在自动化控制领域推广。