如何实现多伺服电机同步控制?

2018-06-13

时钟同步机制




在分布式无轴传动同步控制系统中,需要各个印刷机组之间统一协调地工作,所以各个机组必须要有统一的时间系统,以保证各个印刷机组协调工作,完成印刷任务。

具体的时钟同步实现方法分为硬件时钟同步,同步报文授时同步和协议授时同步。


(1)硬件时钟同步。硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施(如GPS接收机、UTC接收机、专用的时钟信号线路等)进行的局部时钟之间的同步,操作对象是计算机的硬件时钟。硬件同步可以获得很高的同步精度(通常为10-9 秒至10-6秒)。


(2)同步报文授时同步。在每个通讯周期开始,主站以广播形式发送一次同步报文。例如在SERCOS协议数据传输层中,每个SERCOS的通讯周期开始都以主战发送的同步报文MST为标志。MST的数据域非常短,只占1个字节。MST报文的同步精度很高,如果用光缆做传输介质,同步精度可在4微妙之内。


(3)协议授时同步。协议授时也叫软件授时,指利用网络将主时钟源,通过网络,发给其他的子系统,以达到整个系统的时间同步性。通过计算从发出主时钟信息到发送到目标节点接受该信息并产生中断之间的时间差,可以得出延迟时间。然后通过延时补偿来达到时间同步。软件授时成本低,可由于同步信息在网络上传输的延迟大且有很大的不确定性,所以授时精度低(通常为10-6秒到10-3秒)。


综合考虑,本文的时钟同步方案采用的是硬件时钟同步,各节点根据系统中指定的主时钟来调整它们的时钟,具体实现方法是:添加硬件时钟同步信号线CONCLK用来传输时间同步信号,同步控制信号周期为2ms,以同步信号的上升沿作为同步点。在控制器中设置同步信号发生器,并在各个驱动器内部设置同步接受单元。驱动器从站的同步接受单元检测到主战的CONCLK上升沿后,各从站时钟同时清零。这样定期清零不仅保持了各从站时钟的一致性,同时也避免了同步误差的累计。为了提高模块同步信号的抗干扰能力,采用平衡差分驱动方式传输同步信号。使用光耦隔离,可以使主站和从站的信号互不干扰。主、从站同步信号电路如图3。


如何实现多伺服电机同步控制?

图3 主站、从站同步信号电路图



上位机同步运动数据的产生


同步运动数据的产生任务放在到北京首科凯奇电气技术有限公司开发的软PLC -ComacPLC系统中。该公司的软PLC系统,硬件系统采用的是工业计算机平台,操作系统采用的是微软推出的WinCE嵌入式操作系统。在此软PLC系统中,建立了快逻辑任务和慢逻辑任务,快逻辑用于对时间要求高的场合,如紧急情况处理,高精度采样等情况,慢逻辑任务主要用于一般对时间要求不高的场合。快逻辑任务是一个需要定时执行的任务(类似于中断服务程序),该任务必须在一个系统采样周期内执行完成,慢逻辑任务是一个无限循环,它可以在几个系统采样周期内完成[2]。快逻辑任务通过定时控制器8254来完成定时,定时周期为1毫秒。在执行过程中每一次采样周期都执行一次快逻辑任务,产生成同步运动数据。为了保持各个从动轴相对于主轴的同步关系,建立运动参考数据源来虚拟主轴运动状态。在每个系统采样周期中,根据虚拟主轴的运动状态,以及各个从动轴的同步运动要求,分别计算各个从动轴的位置信息,产生各个从动轴的同步运动数据,放入CAN控制器的发送队列等待发送,如图4。把运动数据产生和运算任务放在快逻辑任务中,保证产生运动数据的实时性。


如何实现多伺服电机同步控制?

图4 同步运动数据的产生


同步接口技术协议


本系统总线波特率设为1Mbps,位传输时间τbit为1×10-6秒。每个数据帧由8个字节组成,发送报文数据帧长度固定为131位(29位标识符),反馈报文长度为99位。数据帧传送时间Cm=131μs。把同步控制信号线CONCLK,作为同步周期信号线和报文的基准信号线。同步控制信号周期为2ms,高电平有效,信号电平宽度为10。正常通讯时,一个控制周期内CAN网络可以传送16个同步数据报文。控制器在CONCLK 上跳沿之后50μs内发出指令报文,驱动器在接受到指令报文后100微秒内发出反馈报文。指令报文内容包括位置指令值、逻辑接口信号输入,其中位置指令占用4个字节(32位),逻辑接口信号输入占用一个字节。逻辑接口信号输入包括驱动器使能、复位等指令。在反馈报文中,包括伺服运行状态信息和故障信息,通信时序如图5。


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图5 通讯时序图


结束语


本文针对传统的机械长轴印刷机同步控制系统,提出了以控制器为核心的现场总线控制系统,以CAN现场总线实现在控制器和伺服之间的通信。此方案不仅克服了传统机械长轴控制方案的各种机械元件带来的缺点,而且还具有同步性能好、各伺服单元不互相干扰、控制精度高、维护方便等优点。


这种方法实现同步的特点在于利用了CAN总线可靠性高、传输时间短、抗干扰能力强,和数字伺服的位置精度高、全闭环的优点。

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