基于Copley驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)直線電機(jī)同步控制的設(shè)計(jì)

王 慧，李國林，劉玉倩

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

隨著LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)陶瓷片的印刷過程也提出了越來越高的要求，以往對(duì)印刷面積和印刷精度要求不高的場(chǎng)合常采用的氣壓印刷方式已經(jīng)不能滿足陶瓷片的印刷要求。因此要在整體結(jié)構(gòu)上做出適合這種工藝的調(diào)整。將由一側(cè)電機(jī)帶動(dòng)的印刷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓛蓚€(gè)安裝對(duì)稱的直線電機(jī)同步帶動(dòng)，且保證運(yùn)行平穩(wěn)。

1 絲網(wǎng)印刷機(jī)中特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)

在LTCC印刷機(jī)中，印刷頭結(jié)構(gòu)常采用龍門式架構(gòu)，由于印刷過程中要求作用在瓷片上的作用力均勻分布，所以對(duì)整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求力平衡，因此這種結(jié)構(gòu)主要是采用兩個(gè)參數(shù)相同的直線電機(jī)平行排布，走向一致以帶動(dòng)印刷頭同步運(yùn)動(dòng)，保證輸出力平衡。在裝配時(shí)要嚴(yán)格保證兩電機(jī)安裝在同一平面上。

在印刷頭結(jié)構(gòu)圖中，印刷工作臺(tái)由X、Y、θ三向電機(jī)驅(qū)動(dòng)，印刷頭裝置通過導(dǎo)軌裝置與1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)直接相連，構(gòu)成龍門式結(jié)構(gòu)。兩個(gè)電機(jī)平行安裝在Z向網(wǎng)框上，連同印刷頭裝置由Z向電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行升降運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)流程描述：在執(zhí)行印刷過程時(shí)，Z向電機(jī)帶動(dòng)Z向網(wǎng)框運(yùn)行至印刷高度，X、Y、θ三向電機(jī)經(jīng)調(diào)整后到達(dá)印刷位置，此時(shí)，控制兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器向電機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)速度指令，使兩個(gè)電機(jī)同時(shí)以相同的速度執(zhí)行完印刷平移動(dòng)作。

印刷頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 印刷機(jī)構(gòu)示意圖

2 兩個(gè)并行電機(jī)的定子排布

為確保電機(jī)運(yùn)行過程中的同步性，電機(jī)定子的排列順序一定在同一方向上保持一致，即N級(jí)與S級(jí)首尾相接且兩側(cè)采用同一排序，這主要是讓兩電機(jī)線圈在磁場(chǎng)中受力保持一致，且方向相同。由于行程長(zhǎng)，電機(jī)的定子磁塊分成幾種，所以要在兩側(cè)相互對(duì)應(yīng)的位置排列同一種長(zhǎng)度的磁塊。裝配上嚴(yán)格保證對(duì)稱平齊。磁塊的N級(jí)與S級(jí)之間的安裝間隙越小越好，如圖2所示。

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

該控制系統(tǒng)主要采用位置閉環(huán)控制，通過CanOpen網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。上位機(jī)為工控機(jī)控制，以PCI總線連接CAN通訊卡，Copley驅(qū)動(dòng)器通過CAN總線連接到通訊卡上實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。我們采用兩電機(jī)并聯(lián)的方式，共用一個(gè)反饋系統(tǒng)，如圖3所示。

圖2 電機(jī)定子排布圖

圖3 硬件框架圖

4 電機(jī)實(shí)際參數(shù)的設(shè)置和相位校正

(1)參數(shù)設(shè)置。在這種特殊結(jié)構(gòu)中，由于一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，參數(shù)要根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)來考慮。由于采用并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)器電機(jī)輸出端的電阻和電感應(yīng)該是在同時(shí)接通兩電機(jī)時(shí)測(cè)量每一相后的平均值。對(duì)于電機(jī)本身的固有參數(shù)，反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)BMF和Fc均保持不變，電機(jī)的峰值推力也應(yīng)該是兩個(gè)電機(jī)的峰值推力之和。

對(duì)于電機(jī)的連續(xù)電流IC應(yīng)按照下列公式計(jì)算：

其中：IC為電機(jī)連續(xù)電流；Fp為峰值推力；Fc為力常數(shù)

此處連續(xù)電流為直接輸入驅(qū)動(dòng)器軟件中的電流值。

(2)采用CME2進(jìn)行電機(jī)參數(shù)設(shè)置，如圖4所示。

圖4 CME2參數(shù)設(shè)置

(3)相位校正。電機(jī)在初始化過程中首先要對(duì)電機(jī)相位進(jìn)行校正，本系統(tǒng)主要采用的是Hall和Encoder相結(jié)合的反饋模式，電機(jī)通電后，霍爾傳感器在一段磁極范圍內(nèi)按照我們?cè)O(shè)置的方向進(jìn)行調(diào)相，因?yàn)橹徊捎靡粋€(gè)霍爾，所以其中一個(gè)電機(jī)的相位調(diào)整靠機(jī)械件間的穩(wěn)固連接方式來保證，雖然在安裝時(shí)定子不是完全絕對(duì)的對(duì)稱，它們之間存在微小的誤差，但是這種誤差在機(jī)械結(jié)構(gòu)剛性很強(qiáng)的前提下是不影響運(yùn)動(dòng)控制的。并且在陶瓷片印刷過程中沒有過低的印刷速度，由于機(jī)械連接造成的微小誤差是不會(huì)影響印刷質(zhì)量的。

5 控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

Copley提供了供開發(fā)的基于C++的底層函數(shù)，所以我們?cè)赩C++環(huán)境下編譯測(cè)試程序。首先初始化CAN網(wǎng)絡(luò)，可以采用CAN View軟件監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器CAN網(wǎng)絡(luò)是否初始化成功。然后初始化驅(qū)動(dòng)器對(duì)象，驅(qū)動(dòng)器對(duì)象調(diào)用設(shè)置參數(shù)對(duì)電機(jī)發(fā)送控制指令，運(yùn)動(dòng)過程中可以通過驅(qū)動(dòng)器調(diào)試軟件監(jiān)控速度曲線圖，獲取電機(jī)的位置誤差，進(jìn)而在底層做誤差補(bǔ)償。

控制流程圖如圖5所示。

部分軟件功能代碼：

圖5 控制流程圖

6 總 結(jié)

本文介紹的這種單驅(qū)動(dòng)器同步控制兩個(gè)電機(jī)的控制方式改變了以往的控制模式，滿足了印刷陶瓷片的工藝要求，并在實(shí)際設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。

[1] 葉云岳，盧琴芬.直線電機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 李華德.電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.