1 引言
近幾年來隨著伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，它已廣泛用于控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置等?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，推動(dòng)整個(gè)自動(dòng)化控制向更高層次發(fā)展。本文所介紹的系統(tǒng)充分發(fā)揮伺服控制器和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)，準(zhǔn)確、靈活地控制高速硬幣壓印機(jī)的沖壓和撥餅，滿足了多種工藝要求。

以前硬幣壓印機(jī)的主軸與撥餅軸之間的傳動(dòng)連接采用同步帶聯(lián)結(jié),如圖1所示，即主軸與撥餅軸之間的傳動(dòng)比為固定的1:1, 撥餅軸的速度變化隨主軸速度而變，主軸與撥餅軸的位置角度一一對(duì)應(yīng)，其最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)單和可靠，實(shí)現(xiàn)了兩軸的1:1同步，但系統(tǒng)不具備柔性。為了滿足特殊生產(chǎn)工藝要求，如對(duì)某些產(chǎn)品（大規(guī)格紀(jì)念幣、小規(guī)格紀(jì)念幣）就必須靠進(jìn)行多次壓印功能來達(dá)到工藝的技術(shù)要求，也就是經(jīng)過多次壓印后，撥餅一次，需要改變主軸與撥餅軸之間的傳動(dòng)比為n:1，修改系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)非常困難，所以需要用高速運(yùn)動(dòng)伺服控制器，控制撥餅運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

圖1 同步帶聯(lián)結(jié) 圖2 伺服控制器控制

如果兩軸的1:1同步，那么也就是撥餅速度等于主軸速度;如果兩軸的n:1(n=2，3，4…)間歇同步, 那么也就是撥餅速度等于主軸速度的1/n。根據(jù)系統(tǒng)要求選用西門子公司masterdrives mc運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)閙asterdrives mc運(yùn)動(dòng)伺服控制驅(qū)動(dòng)器適合控制循環(huán)周期短而且高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制系統(tǒng)。這種驅(qū)動(dòng)器是智能控制系統(tǒng)的一部分，它能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)動(dòng)、靈活和高效的驅(qū)動(dòng)控制，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同類系統(tǒng)。

2 控制內(nèi)容和控制要求
本文以高速硬幣壓印機(jī)為控制對(duì)象，硬幣壓印速度必須要達(dá)到700枚/min，主要工藝過程是:送餅機(jī)構(gòu)把光餅送到撥餅機(jī)構(gòu)，撥餅機(jī)構(gòu)把光餅準(zhǔn)確撥給主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在主傳動(dòng)壓印，加工成成品。其主要特點(diǎn)是:速度快(每完成一枚只需85ms);各機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)要配合默契，特別強(qiáng)調(diào)主傳動(dòng)與撥餅機(jī)構(gòu)要配合非常準(zhǔn)確，撥餅的時(shí)間只有40ms左右，所以撥餅驅(qū)動(dòng)采用siemens公司mc伺服數(shù)控系統(tǒng)，mc伺服數(shù)控系統(tǒng)是siemens公司最新高速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，是無軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(無軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是同步信號(hào)從主傳動(dòng)上取出，即在主傳動(dòng)曲軸上安裝高分辨率的光電編碼器,當(dāng)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器的脈沖信號(hào)輸送給撥餅伺服控制器控制，伺服控制器準(zhǔn)確控制撥餅動(dòng)作，從而達(dá)到隨撥餅主機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的要求)。

siemens公司mc運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)為:高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，masterdrives mc驅(qū)動(dòng)器使用了32位數(shù)字控制技術(shù);高過載因數(shù)能處理高難度的應(yīng)用問題:mc運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器有極高的過載因數(shù):250ms內(nèi)300%的過載能力;集成式安全保護(hù)裝置保障了所有功能的安全應(yīng)用:具有的“安全停止”功能軟件:靈活運(yùn)用bico技術(shù)，它們可被應(yīng)用于所有必要的開環(huán)和閉環(huán)控制。

根據(jù)工藝要求，主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和撥餅機(jī)構(gòu)既要滿足1:1同步要求(壓印一枚，撥一枚)，又要滿足n:1間歇同步要求(壓印一枚n次后，再撥一枚)。

3 系統(tǒng)的整體構(gòu)成和方案設(shè)計(jì)
3.1 電氣主控系統(tǒng)
電氣主控系統(tǒng)將采用德國(guó)siemens公司的s7-300系列可編程序控制器, 中央處理單元為西門子cpu315-2dp，該系統(tǒng)可靠性高，速度快。cpu 315-2dp具有一個(gè)profibus dp接口和一個(gè)組合的dp/mpi接口，通過cpu315-2dp的profibus dp接口，連接符合profibus總線的設(shè)備，使得cpu可以輕松的訪問底層的profibus網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備。圖3為系統(tǒng)的整體構(gòu)成圖。注意在配置網(wǎng)絡(luò)終端電阻時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的首端、尾端電阻為on，中間全部為off。

圖3 系統(tǒng)的整體構(gòu)成圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議
profibus dp現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議格式。可編程序控制器plc要和驅(qū)動(dòng)器順利通過profibus通信，兩者必須共同遵守profibus通信格式。西門子profibus通信協(xié)議格式如附表所示，附表通信報(bào)文幀發(fā)送/請(qǐng)求格式。sd:開始定界符,le:網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，ler:數(shù)據(jù)重復(fù)長(zhǎng)度，da:目的地址, sa:起源地址,fc:功能碼，dap:目的服務(wù)存取點(diǎn)，sap:源服務(wù)存取點(diǎn)，du:數(shù)據(jù)單元，fcs:幀檢查序列，ed:結(jié)束定界符。變頻器現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，profibus dp的通訊協(xié)議的信息幀分為協(xié)議頭、用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議尾，有的用戶數(shù)據(jù)帶有參數(shù)區(qū)域和過程數(shù)據(jù)區(qū)域，而有的用戶數(shù)據(jù)僅由過程數(shù)據(jù)組成。profibus通信控制變頻傳動(dòng)定義了五種ppo類型，即參數(shù)值pkw和過程數(shù)據(jù)pzd的字長(zhǎng)不同。參數(shù)值pkw是變頻器運(yùn)行要定義的一些功能碼，如最大頻率、加／減速時(shí)間等。過程數(shù)據(jù)pzd用來傳輸控制字的一些功能碼，如變頻器設(shè)定值、狀態(tài)字、變頻器實(shí)際值。

附表 通信報(bào)文幀發(fā)送/請(qǐng)求格式


3.3 硬件組態(tài)
用siemens公司的step7軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)。使用step7組態(tài)軟件，進(jìn)入硬件配置hw config，完成s7-300plc硬件組態(tài)，選定plc為主站系統(tǒng)(master system)，在hardware catalog中找到masterdrives把它連接到以cpu315-2dp為主站的dp網(wǎng)上，并選定使用的ppo類型，設(shè)定站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址。由于與主傳動(dòng)、撥餅電機(jī)通訊數(shù)據(jù)量大，需要監(jiān)控主機(jī)電流、主軸角度。特別是撥餅伺服系統(tǒng)尋參功能，為了使系統(tǒng)達(dá)到同步運(yùn)行，機(jī)床的零點(diǎn)與電氣控制系統(tǒng)的零點(diǎn)必須重合，零點(diǎn)是非常重要的參考點(diǎn)，撥餅伺服系統(tǒng)mdi功能，當(dāng)機(jī)床發(fā)生故障，產(chǎn)生角度誤差時(shí)，需要執(zhí)行mdi功能，走mdi功能，再一次可靠實(shí)現(xiàn)撥餅伺服系統(tǒng)的角度與主軸角度重合，消除誤差，保證了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、準(zhǔn)確性。所以采用ppo5的通訊方式，如圖4示, pkw為4個(gè)字, pzw為10個(gè)字，通訊速率為1.5mbps。

圖4 ppo5的通訊方式

3.4 軟件編程
利用西門子step7軟件對(duì)系統(tǒng)的軟件編程。建立2數(shù)據(jù)塊:db3、db4分別對(duì)應(yīng)主傳動(dòng)變頻器、撥餅伺服控制器。db3、db4中設(shè)置相關(guān)參數(shù)。slave_3. dpaddr為profibus dp從站地址，slave_3. daddr為profibus dp從站診斷地址，slave_3. slot_4.laddr為profibus dp從站i/o基本槽地址，slave_3.slot_4. slot_id為profibus dp從站i/o基本槽號(hào)，slave_3.slot_4.pcd_addr為profibus dp從站過程數(shù)據(jù)地址, slave_3.slot_4.length為profibus dp從站數(shù)據(jù)字長(zhǎng), slave_3.slot_4.consist為profibus dp從站數(shù)據(jù)是否一致性的判斷。

4 系統(tǒng)調(diào)試中的難點(diǎn)解決
利用西門子公司的drive monitor軟件進(jìn)行調(diào)試及監(jiān)控。drive monitor軟件是基于bbbbbbs平臺(tái)的調(diào)試、診斷軟件，驅(qū)動(dòng)器的所有參數(shù)都具有表格化、圖形化提示，可以更新處理，及打印參數(shù)設(shè)置， 也可以處理過程數(shù)據(jù)，及進(jìn)行診斷操作，也可以實(shí)現(xiàn)離線或在線操作，這些也可以在通訊條件下進(jìn)行。

硬幣壓印速度必須要達(dá)到700枚/min，即每完成一枚只需85ms(動(dòng)作過程為:撥餅→到位，沖壓(此時(shí)停止撥餅)→撥餅，各機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)要配合默契，特別強(qiáng)調(diào)主傳動(dòng)與撥餅機(jī)構(gòu)要配合非常準(zhǔn)確，撥餅的時(shí)間只有40ms左右。撥餅負(fù)載變化非常大，在撥餅起始瞬間阻力特別大，當(dāng)撥動(dòng)餅后阻力馬上變小，在40ms時(shí)間撥餅盤要到位，否則沖頭要把撥餅盤打碎。利用drive monitor軟件監(jiān)控?fù)茱灆C(jī)構(gòu)負(fù)載變化曲線為1:1，負(fù)載變化曲線如圖5所示，n:1負(fù)載變化曲線如圖6所示。

圖5 1:1負(fù)載變化曲線


圖6 n:1負(fù)載變化曲線

(1) 根據(jù)上述曲線，選用西門子伺服電機(jī)1ft6084-8ac71-4ta0，額定轉(zhuǎn)矩為mn=16.9n·m，額定轉(zhuǎn)速nn=2000r/min，最高轉(zhuǎn)速nmax=3200r/min，采用減速比為1:3，以滿足主機(jī)最高速度700枚/min的要求以及 力矩要求。
(2) 利用drive monitor軟件對(duì)矢量變頻器及mc運(yùn)動(dòng)伺服控制器進(jìn)行參數(shù)整定。先采用靜態(tài)整定的方法，自動(dòng)測(cè)定主電機(jī)，為的是確定轉(zhuǎn)子和定子阻抗的實(shí)際值，自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算;再用先動(dòng)態(tài)整定的方法，激活轉(zhuǎn)矩控制，這是由加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，根據(jù)轉(zhuǎn)速給定變化調(diào)整轉(zhuǎn)矩控制，并考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化，動(dòng)態(tài)整定主要功能的參數(shù)，設(shè)定速度控制電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的功能參數(shù)作用，并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
(3) 在調(diào)試時(shí), 隨主機(jī)速度的提高, 撥餅盤經(jīng)常被沖頭打碎。經(jīng)分析認(rèn)為，主機(jī)速度的提高，需要撥餅盤響應(yīng)速度提高，快速準(zhǔn)確定位，所以需要調(diào)整位置環(huán)的增益參數(shù)。位置環(huán)的作用是產(chǎn)生電機(jī)的速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位和跟蹤。通過設(shè)定的目標(biāo)位置與電機(jī)的實(shí)際位置相比較，利用其偏差通過位置調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生電機(jī)的速度指令，當(dāng)電機(jī)初始起動(dòng)后(大偏差區(qū)域)，應(yīng)產(chǎn)生最大速度指令，使電機(jī)加速并以最大速度恒速運(yùn)行，在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電機(jī)減速運(yùn)行直至最終定位。本文為了準(zhǔn)確控制撥餅盤，對(duì)主機(jī)速度進(jìn)行分段控制，速度每提高20r/min為一個(gè)區(qū)間，動(dòng)態(tài)修改位置環(huán)的增益參數(shù)，以滿足不同主機(jī)速度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
盡管高速運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用，但是要注意以下幾個(gè)問題:
(1) 先要了解系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩情況，也就是系統(tǒng)正常工作對(duì)伺服電機(jī)力矩的要求。
(2) 對(duì)負(fù)載變化大的系統(tǒng)。考慮采用通過增加減速箱的方法，提高系統(tǒng)力矩，在提高力矩的時(shí)候也要考慮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間等問題，特別對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的控制。
(3) 對(duì)有速度變化的負(fù)載進(jìn)行位置控制的系統(tǒng)。需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整位置環(huán)的增益參數(shù)，以滿足不同速度要求。
此系統(tǒng)經(jīng)實(shí)踐證明對(duì)位置的控制非常準(zhǔn)確和可靠。充分說明了在高速系統(tǒng)中用運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確地控制位置，對(duì)控制同類設(shè)備有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)
[1] siemens s7-300可編程序控制器[z]. siemens公司.
[2] siemens s7-300和s7-400梯形邏輯編程[z].siemens公司.
[3] siemens step 7 v5編程手冊(cè)[z]. siemens公司.
[4] siemens s7-300、s7-400語(yǔ)句表編程[z].siemens公司.
[5] masterdrives mc function diagram "f01 technology option"(bbbbbbbbing and synchronization)[z]. siemens公司.
[6] masterdrives mc "free blocks" function diagram status [z]. siemens公司.

作者簡(jiǎn)介
李田科 男 1994年中國(guó)紡織大學(xué)自動(dòng)控制系畢業(yè)，1999年獲中國(guó)人民銀行工程師資格，現(xiàn)主要從事硬幣壓印機(jī)電氣設(shè)計(jì)及改造。