關于簡單運動控制系統中的同步問題

王超

摘要：龍門機械手、三鼓一次法成型機的貼合鼓和輔助鼓是橡膠行業常用設備，工作時對各類電機的同步控制有一定要求。本文通過分析設備的工藝流程，結合羅克韋爾Studio5000軟件來說明如何實現三種同步控制，得出了伺服實軸與虛擬軸同步運行性能及程序架構優于伺服實軸之間同步，伺服電機與變頻電機只適用于短時同步的兩個結論。

關鍵詞：伺服電機;變頻電機;同步控制

運動控制系統中各主軸的同步問題是調試一般工業自動化項目經常遇到的主要問題之一，比如，較長工件跨越兩個輸送裝置移動，或兩部電機驅動同一機械結構移動，或軌道運輸系統中多電機同步運行等，這些應用場景均需要兩部或多部電機在運行時做到啟停同步、速度相同、方向相同或相反等，甚至在嚴格要求下加速度或減速度和加加速或減減速都要相同，對機械安裝精度和電機同步控制產生了一定挑戰。

電機的同步按電機類型可分為多種同步關系，如伺服電機之間同步，伺服電機與變頻電機同步，直流電機與直流電機同步等，實際上同步類型的數量與電機的種類多寡成正相關，可以說只要有電機應用的場景，就會有同步控制的需求出現。

1 工程概述

由于同步關系種類繁多，本文僅以龍門機械手、三鼓一次法成型機貼合鼓和成型機輔助鼓三種設備來說明典型的三種同步控制關系。龍門結構常見于工廠內部或貨站用于搬運重物的行車;三鼓一次法成型機的貼合鼓和輔助鼓是用于粘貼壓合輪胎各層物料的專用設備。以上設備分別代表了伺服電機與伺服電機同步，伺服電機與虛擬軸同步，伺服電機與變頻電機同步的關系。以下簡要說明不同類型的同步控制如何實現。

2 伺服實軸之間同步

本文例舉的龍門機械手是用于輪胎成品庫的專用設備，由于輪胎成品庫成品胎堆放整齊緊湊，對抓取輪胎的機械手有嚴格的精確定位要求，因此用于驅動龍門結構動作的電機必須使用伺服電機，防止因定位不精確引起抓胎不穩，進而出現整摞輪胎歪斜或墜落，產生安全風險或影響后續轉運的正常工作。

龍門機械手橫梁兩端各安裝一部伺服電機，將其中一部電機用作運動時的主軸，另一部電機作為此電機的從軸。當設備有平移動作時，PLC啟動主軸電機，使其工作在定位或點動模式下，同時給予從軸電機同步命令，使其工作在同步模式下，這樣從軸電機在速度、方向和加/減速度等均可“復制”主軸電機的動作，直到同步命令解除為止。

以羅克韋爾L82 PLC和5700伺服驅動器MAG同步指令為例，指定主軸名稱為X1軸（名稱須與軸配置名稱一致），旋轉方向設定為0，同步比率設定為1等。當指令使能接通時從軸X2即可工作在同步模式，按設定參數跟隨主軸X1的動作。

但此種同步控制在實際應用時，受齒輪齒條等傳動機構加工精度和通訊的影響，兩電機停止時位置會存在一定誤差，且隨運動次數的累積逐漸增加，最終造成架體與兩導軌垂度差異過大，或扭矩超過正常范圍，引起驅動器頻繁報警。為消除這一隱患，程序中應增加從軸伺服電機自動調整位置的邏輯，即主軸完成一次動作靜止后，判斷主軸和從軸之間絕對位置誤差，若超出設定范圍則立即解除同步模式，并啟動從軸電機點動運行，低速靠近主軸電機當前位置，直到主從軸位置相同或在誤差范圍內。如此，由種種原因造成的累積誤差可以隨時消除，提高設備運行的穩定性。

3 伺服電機與虛擬軸同步

貼合鼓旋轉電機和運帶輸送電機均為伺服電機，兩者間的同步是為防止未經允許的拉伸情況出現，可由實軸與實軸間的同步實現，但此種做法易使程序繁瑣，且實軸之間的同步存在從軸跟隨的微小誤差，在運帶有物料和對貼合角度有要求的情況下，無法通過自動調整的方式消除，在貼合不含鋼絲的窄料步驟時易造成拉伸，影響輪胎成品質量。

經過分析試驗，由虛擬軸作為主軸，貼合鼓旋轉伺服電機和各層運帶輸送伺服電機均作為從軸的同步模式，替代實軸之間的同步模式，被證實更加的可靠。同步邏輯和參數計算只需寫入虛擬軸的程序里，從軸程序只保留同步指令和參數變量。相較于實軸之間的同步，這種模式極大地精簡了程序，程序結構清晰，可讀性高;并且需要同步運動的兩個實際伺服電機做為從軸同時啟停，消除了實軸一主一從因精度和通訊延遲造成的動作配合差異，避免物料的額外拉伸情況出現，保證輪胎成品質量。

以羅克韋爾L82 PLC和5700伺服驅動器為參考，運行studio5000軟件，在Motion group下新建一個虛擬軸，相關軸參數根據需要配置，同步指令MAG中Master Axis指定為虛擬軸。在不同工步給予虛擬軸不同速度、方向和目標位置等參數，給予貼合鼓旋轉電機和運帶電機各一個同步命令，使能同步模式，并檢測從軸電機同步狀態，之后使能虛擬軸;預定動作完成后解除從軸同步模式并檢測，脫離同步模式后方可進行下一步動作。注意虛擬軸和實軸運算單位的統一，加/減速度保持相同。

4 伺服電機與變頻電機同步

成型機輔助鼓工作原理與貼合鼓類似，旋轉主軸采用伺服電機，料架運帶前模板可選擇伺服電機、變頻電機或無動力輥均可，出于成本控制及精度要求等考慮，輔料架中部及前端模板多數選用變頻電機。目前主流工控產品廠商均沒有直接用于伺服電機和變頻電機的同步指令，實際項目又有這樣的需求，那么就要通過程序解決，以近似同步狀態的動作控制使兩種電機的運動盡量保持同步。

伺服電機由自帶編碼器反饋位置，變頻電機由附加編碼器反饋位置，兩者要做到近似同步，速度是關鍵。在本例中，假設輔助鼓旋轉角速度由配方設定為10r/min，鼓直徑3050mm，可計算出輔助鼓當前線速度約為84.7mm/s，那么理論上變頻電機運行速度設置成85mm/s左右即可，如果工藝上需要拉伸物料，可適當減小變頻電機跟隨速度，通過速度控制使物料在兩裝置間形成張力。

然而，即便變頻電機與伺服電機運行參數給定完全相同，實際工作時仍然會有一定誤差，而且隨著時間或次數的累積逐漸增大，但因為胎坯帶束層各層最終貼合長度根據輪胎規格的不同一般在3.5米以內，每一層貼合之后電機停止，物料準備到位后再次同步，誤差不會累積，所以這種短時間內伺服電機與變頻電機同步的解決方案運用在此類場景中是可靠的。

5 總結

常見運動控制系統的同步都可以通過以上三種方式實現，其中伺服電機實軸之間的同步可以由運行更加可靠、邏輯結構更加清晰的伺服電機實軸與虛擬軸同步的方式代替。伺服電機與變頻電機的同步目前只能應用精度要求略微寬松的場景，而且時間上不宜過長，誤差可由兩電機停止并重啟的方式消除，但對于較長工件或長時間連續運轉的應用場景，此方法并不適用。只要靈活運用各品牌PLC的運動控制指令，積極消除通訊干擾和累積誤差等負面因素，一般簡單運動控制的同步問題均可以完美實現。

參考文獻

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