基于EtherCAT總線的無軸膠印系統的設計

徐俊鋒，唐厚君

XU Jun-feng,TANG Hou-jun

（上海交通大學 電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

傳統高精度膠印系統采用的是長主軸驅動印刷，各機組間的同步依賴于高精度的齒輪，但這種系統有著諸多缺點，比如長主軸上力矩不平衡，齒輪存在機械損耗等，對于長期運行非常不利。無軸膠印系統則取消了齒輪傳動，改為在每個機組上都配備自己的軸，通過總線控制來達到各軸的同步，由于采用了電機位置環，速度環，電流環三環PID閉環伺服控制，有效地減小了機械損耗帶來的影響，抗干擾性變強。本系統是基于罐體膠印項目而開發的， 硬件上包括執行電機，伺服系統，控制器，PC上位機，軟件上包括伺服參數調節，控制器參數調節及程序設計，上位機程序設計，所以可以作為膠印系統的典型案例。

1 系統結構概況

系統結構框圖如圖1所示。

系統主要由EhterCAT主站與EtherCAT從站及PC上位機組成。EtherCAT主站使用的是運動控制器；從站包括伺服驅動器，執行電機，減速機，實際軸；上位機為PC，主要負責人機交互與膠印系統的邏輯實現。罐體膠印是個十軸系統，包括膠版輪，芯軸轉盤，傳輸輪，傳輸鏈輪和6個印版輥。

圖1 系統結構框圖

2 主站控制器介紹

主站控制器采用了Trio公司的運動控制器，控制器主要功能是通過EtherCAT控制并監控從站的運動，與上位機通過以太網通信，并負責調節電機伺服控制中的位置環。控制器能控制多達64軸,罐體膠印項目需控制10個軸，完全滿足實際需求；控制器采用模塊化設計，能根據實際需求增減硬件模塊,具有很高的可擴展性；控制器帶有自己的TrioBasic編程語言，能對控制器進行編程并支持多線程，縮短了軟件開發周期，Motion Perfect軟件提供了一個TrioBasic程序的調試環境，能監控控制器上的變量與表格數據存儲區域，電機設置及運行參數；控制器最多支持256個外部IO口，提供了豐富的外部接口；控制器可通過10/100M Ethernet局域網與上位機通信，同時可基于MFC（Microsoft Foundation Class）庫和其ActiveX控件進行上位機編程，完成膠印流程邏輯和人機界面編寫。

3 從站系統設計

從站主要由伺服驅動器和電機組成。電機采用交流永磁同步電機，結構相對簡單，效率高，基于矢量控制，具有精度高，動態性能好，調速范圍大等優點。電機自帶內置增量式光電旋轉編碼器，線數為2500線，4倍頻，可達到精度為0.036度。編碼器信號實時反饋給伺服同時也通過EtherCAT反饋給主站。每個伺服驅動器通過EtherCAT模塊與其他伺服驅動器及主站構成級聯拓撲，對于EtherCAT站點，當封包到達時，它只取出接受封包中發給自己的部分，然后在接受封包中添加自己給目標站點部分并向下一個站點發送，而非點對點封包傳輸，所以相比于星型或環形等其他拓撲，效率是一樣的，這也是EtherCAT作為總線控制協議的優越之處。在控制算法上，伺服驅動器根據矢量控制原理進行電流環和速度環兩環控制。

4 相位差精度調節

4.1 伺服參數調節

伺服中主要含有電機三環控制中的電流環和速度環。參數一般由伺服的自調諧測試確定，閉環矢量控制模式下有5種自調諧測試：短時低速測試，標準低速測試，慣性測量測試，設置電流控制器增益的穩態測試，最小運動測試。在標準低速測試中，驅動器給電機施加額定電流并測量編碼器相角，同時測得電機電阻和電感并設置電流環增益；慣性測試用于測量負載及電機總慣性，并設置速度環增益；設置電流控制器增益的穩態測試可測量定子電阻、電機瞬態電感并可計算電流環增益及更新電流環增益參數。做完以上自調諧后，在速度模式下運行，電機能穩定運行，表明伺服參數調節完畢。

4.2 電機位置環參數調節

因為在膠印中精度一般要達到0.5mm，所以以印版輥直徑126.873mm來算，允許的角度偏差為0.5度。位置環首先應該調節比例增益，合適的比例增益使得響應為臨界阻尼響應，既不過阻尼又不致于超調過度而產生振蕩。圖2為調節后通過Motion Perfect軟件上示波器得到的最佳臨界阻尼響應時曲線。紅線表示理想時間位置曲線，綠線為實際時間位置響應曲線。

圖2 位置臨界阻尼響應曲線

對于同一電機與伺服，PID不僅與負載有關，還與運行轉速有關，所以在高轉速時，需要在原先基礎上對比例增益進行重新調節，以達到電機能在期望速度勻速運轉沒有震蕩，此時調節可以容許稍大的跟隨誤差，因為跟隨誤差可以通過調節其他參數減小它。

調節好比例增益之后，開始調節速度前向反饋增益，它與期望位置的變化量成正比，它的作用是減小高速運動時的跟隨誤差。

輸出速度增益與實際位置的變化量成正比，它可以使系統響應曲線變平滑但會增大更隨誤差。根據實際調試結果，對系統影響不大，故設為0。

最后調節微分增益和積分增益，微分增益的作用是減小系統振蕩，而積分增益的作用是減小穩態誤差。微分增益調節范圍非常大，從3到50均可，對數值敏感度不大。積分增益可以對穩態誤差進行微調，最終確定的一組印版輥位置環參數如表1所示。

表1 位置環參數

為了測試相位差精度是否滿足要求，在上位機上編寫了一個檢測程序，在電機運行在期望速度時讀取相位差值進行分析。圖3為連續讀取的10000個點的印版輥兩軸間相位差值曲線，可見相位差均穩定在了0.5度以下。

圖3 印版輥兩軸間相位差統計圖

5 上位機程序設計

上位機控制系統涉及與EtherCAT主站通訊，人機界面，手控面板，遠程監控，參數狀態數據庫等部分。系統框圖如圖4所示。

圖4 上位機總體框圖結構

通訊可以選擇同步通信或異步通信，同步通信調用Trio的ActiveX控件的庫函數，但程序必須等到函數返回才能繼續執行，一次通信時間約為30ms，對于本系統基本不影響實時性，但若遇上網線短線或控制器斷電的情況，庫函數返回時間會增加到5秒，在界面上影響了用戶體驗。而異步通信則調用Trio通道0的命令行指令，實現方法是再開個通信線程專門負責收發數據，收發周期為50ms，在每個周期內，將發送緩存中的數據發送出去，同時從ActiveX控件中的接收緩存中讀取收到的數據，一次發送數據對應的回復數據可能在多個周期分段收到，所以需要對接收到的數據進行結束符判別并解析。異步通信實時性與同步相當，但是遇到通信錯誤時能比同步通信更快響應。

人機界面搭建于MFC平臺上，主要原則是簡單實用，可靠，有擴展性，所以用面向對象的方法對控件進行重新封裝。因MFC庫文件中復選框，編輯框等控件尺寸太小，不滿足工業條件，所以要基于靜態控件重新編寫。界面主要分為主界面，參數調節界面，手動調試界面，輸入調試界面，輸出調試界面，遠程調試界面等。圖5為主界面截圖。

圖5 上位機主界面

手控面板主要用途是便于操作，與觸摸板對應按鍵具有相同的觸控效果，主要包括啟動，停止，急停，手控模式選擇鍵，手控軸選擇鍵等常用按鍵。它作為輸入口與EtherCAT主站連接，邏輯實現則在上位機上實現。

遠程監控模塊是通過以太局域網與遠端PC連接，便于監控室對系統狀態進行監控。

數據庫記錄著操作員操作歷史記錄，系統狀態，系統事件，搭建與SQL Server 2008,便于系統數據管理。

主程序主要有四個線程，第一個線程為MFC人機界面線程，負責界面顯示機觸屏操作響應；第二個線程為通信線程，負責與主站異步通信時數據收發；第三個線程為監控器線程，通過通信線程讀取主站IO口的值并發送相應消息；第四個線程為流程控制器線程，實際上為一個狀態機，是膠印系統的核心邏輯實現部分。

6 結束語

本文基于罐體無軸膠印系統，提供了基于EtherCAT無軸膠印的解決方案，完整的開發了自下位機至上位機的系統程序，實驗結果證明無軸系統可以滿足膠印的精度要求。

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