运动控制技术——现代化的制器之技

GOOGOL系列追剪专用型伺服驱动器

    关键字：驱动器

    技术特点：

    1.运动控制器与伺服驱动器结合为一体。

    2.内含高性能64位微处理器及100us动态高速计算回路。

    3.长度资料以八位数设定(0-99,999,999)可精确至um单位。

    4.可接受最高400Kpps的高速测长脉冲信号(A/BPhase，CW/CCW，CK/DIK等类型信号皆可适用)。

    5.可自动寻找机械原点，也可以正点寸动及反点寸动，任意指定机械原点。

    6.自动追踪主线进料速度并计算前置之S曲线加速功能。

    7.在S曲线加速过程中，还可作扭力补偿措施，可快速同步并减少裁切误差，四段S曲线(正转加/减速，反转加/减速)可各别设定。

    8.可追认印刷光标点自动修正裁切长度。

    9.可设定两组长度资料，并可于运转中变更设定值或切换至另一组资料。

    10.具有线上可微量自动修正裁切长度功能。

    11.具备仿真主线进料速度输入功能，以方便工程人员试车之用。

    12.内含人性化的自动长度转换机能。

    13.主动的计算各项运转资料，有利于系统运转中的监控。

    应用：

    适用于钢板定长横剪、瓦楞纸纸板定长横剪、高速切片机、卧式包装机、立式包装机、“旋转式”包装封切机、高速线材定长裁剪机、一般封切机的“定时封口”的裁刀控制。

    适用于工艺要求必须连续送料的各种设备，如：镜面钢板定长横剪生产线的横剪，PVC管或异型材挤出机生产线的定长锯切，日用品包装软管押出生产线的离心刀定长裁切机等。

本系统采用变频器控制普通三相交流电机带光电编码器控制放卷整平机构，采用交流伺服电机控制送料机构，透射式光电开关用于送料信号检测反馈，控制系统采用固高科技（深圳）有限公司生产的高速、高精度运动控制器作为剪切机生产线控制系统核心，用于送料伺服电机和放卷电机的变频器的控制。图1所示为采用GM400运动控制器组成的控制系统。

控制系统基本组成

控制面板：用于生产人员输入剪板长度，机器的控制参数，观查机器的运行情况。 运动控制器：用于生产线机器的控制，各种传感器信号的输入。 系统软件：用于生产线机器的控制。 显示接口：用于控制面板的控制及其他参数的输入显示。 直流电源：提供传感器，外部接口电源。 伺服电机及驱动电源：控制送料。 展平电机+变频器：控制金属板的展平。 其他控制用电器：各种开关和线路保护电器。

控制系统接口

固高运动控制器提供四路交流或直流伺服电机标准接口，32路逻辑控制接口，8路限位开信号接口，4路原点信号接口。

加减速控制

本系统采用如图所示方式进行送料机的速度控制，根据以往成功经验和理论分析，采用图所示的加减速控制策略，可以很好的控制送料伺服电机的速度和位置精度，保证生产线的剪切速度和精度要求。

加工参数设定

系统加工参数有剪切长度、剪切张数、补偿系数和剪切速度。加工之前需要对参数进行设定，设定参数的办法是按一下各参数前的对应黄色字符，然后光标将对应到要设定的位置，输入所要修改的参数，键入回车键即可。

    编者按：高炉煤气是高炉炼铁过程中产生的气体，一氧化碳含量很高，是一种毒性很强的低热值气体，也是钢铁企业内部生产使用的重要二次能源。，PLC或DCS自动控制使工艺控制更加可靠。

    但是，由于大型高炉煤气发生量多，势必要成倍增加箱体数量，而每个箱体上均有阀门、补偿器、一次仪表等，这使得整个干法除尘器的故障点大量增多，同时占地面积也大大增加。为解决大高炉干法除尘器箱体数量多、可靠性低的缺点，瑞帆企业在干法除尘工艺、设备、关键配套件、输灰系统等方面做了系统深入的研究。通过大量的论证，瑞帆企业对小型高炉干法除尘进行了大量的技术改进，并通过包钢6座高炉、宝钢2500m3、唐钢3200m3高炉干法除尘应用实践证明，在大高炉上采用干法除尘完全是可行的。

五是除尘内部结构优化，在气流分布和安全方面做了大量工作。六是滤料选择合理，选用了耐高温、抗折性、抗拉性较好的P84复合针刺毡滤料。七是在选用的阀门内喷涂了耐磨的涂层，密封圈选用了耐高温、高强度的材料。八是补偿器的不锈钢材质选用耐氯、硫、耐酸腐蚀强的材质。就是系统采用了PLC或DCS自动控制，工艺控制更加可靠。

1.2FPGA模块

    该部分主要功能为一个4通道的针对光栅尺的脉冲计数器，此外，还承担部分地址译码的工作。但由于脉冲计数频率高，计数量大，所以必须选择高容量、高性能的可编程逻辑器件。

    ALTERAFLEX（FlexibleLogicElementMatrix）10K系列FPGA，规模从一万门到十万门,可提供720～5392个触发器及6144～24576位RAM,提供30ns、40ns及50ns等几个速率等级，可适应18～105MHz的信号处理速率。ALTERAFLEX10K系列FPGA主要由输入输出单元IOE、掩埋阵列EAB、逻辑阵列LAB及内部连线组成。EAB是在输入和输出端口加有寄存器的RAM块,其容量可灵活变化。所以,EAB不仅可以用于存储器,还可以事先写入查表值来用它构成如乘法器、纠错逻辑等电路。当用于RAM时,EAB可配制成多种形式的字宽和容量。

    LAB主要用于逻辑电路设计,一个LAB包括8个逻辑单元LE,每一个LAB提供4个控制信号及其反相信号,其中两个可用于时钟信号。每一个LE包括组合逻辑及一个可编程触发器。触发器可被配成D,T,JK,RS等各种形式。IOE提供全局的时钟及清零信号输入端口,还提供具有可编程性的各种输入输出端口，如低噪声端口、高速端口等。

    FLEX10K系列芯片是ALTERA公司新近推出的PLD产品。与ALTERA公司先前推出的MAX7000系列EPLD相比，FLEX10K（以下简称10K）系列具有更加丰富的内部资源（最多可达10万门），更加充裕的可配置的I/O管脚（最多达406条）。再加上其低廉的价格，使得10K系列芯片受到越来越多用户的欢迎。

    基于以上原因，我们在本方案中采用ALTERAFLEX10K10，并且考虑到以后设计的连续性，我们可以无需更改硬件电路，就可以更换性能更高的、相同尺寸、相同管脚配置的ALTERAFLEX10K20。

    1.3PC通信接口模块

    该模块选用16位的ISA总线与PC相连，CY7C133双口RAM用作数据缓冲。

    ISA总线的使用十分灵活、方便，而且I/O操作比较简单。虽然ISA总线的引脚多但并不是都要用到的，关键是几个固定引脚的应用，例如：I/OCHRDY、I/OR、I/OW、ALE、数据线和地址线，结合起来实现通信。

    在本系统中，双口RAM的PC端地址线并没有直接采用ISA过来的地址线，而是由FPGA内部地址计数器给定。这是因为，ISA总线上大部分地址都已经被PC系统分配好，直接把2K的双口RAM数据空间映射到ISA总线上并不现实；而且控制系统与PC交换的数据基本上是一系列加工点的坐标参数，采用顺序访问对性能没有影响。因此采用地址计数器方式的顺序访问，完全能够达到设计的要求。

    具体做法是：ISA地址线的A2～A9接到地址比较器74LS688，与设定好的地址作比较，74LS688的片选信号由ISA的IOR和IOW的“与”提供（IOR和IOW在ISA总线访问端口时低有效），A0，A1接到FPGA，用于选择FPGA内部4个功能不同的寄存器。ISA的ALE用于触发FPGA内部逻辑功能，锁存ISA总线过来的信号。

    当访问地址清零寄存器时，地址计数值清零；当访问地址增加寄存器时，地址计数值增加“1”。如此类推，访问不同的寄存器就对地址计数值完成不同的操作，把地址计数值直接作为地址送给双口RAM，就可以实现ISA总线访问双口RAM了。

运动控制算法的核心是先用B样条插值法把目标点进一步细化，使运动曲线更平滑，然后在运动过程中采用PID算法进行调整，最终达到高速高精的设计要求。

    目前许多先进的CAD/CAM系统都采用了B样条曲线。其特点是，可用统一的数学形式精确表示分析曲线（如直线，圆锥曲线等）和自由曲线（如均匀B样条曲线等），因而便于用统一的数据库管理、存储，程序量可以大大减少；非均匀B样条曲线定义中的权因子使外形设计更加灵活方便，设计人员通过调整具有直观几何意义的点、线、面元素即可达到预期的效果。

    2.2PID控制

    在控制领域中，PID控制算法是一种常用的算法，PID是比例、积分、微分的缩写。PID的合理的参数估计、比较，可以通过MATLAB的传递函数模型仿真来得到。

    由于该系统是数字系统，采用的都是数字量，所以必须把PID算法离散化才能使用。又由于系统的存储空间有限，算法的存储空间开销不能太大，所以采用了离散化的增量式PID算法。该算法在运算过程中只需要保留最近3次的误差数据，就能够推导出下一次的输出量，节省了大量的数据空间，提高了运算速度，有很强实用价值。

       μ（k），μ（k-1）分别是k和k-1时刻的输出量，在系统中体现为DA的输出量。

    e（k），e（k-1），e（k-2）分别是k，k-1，k-2时刻的偏差值，在系统中体现为该时刻实际位置与目标位置的偏差。

    T，Td，Ti，Kp是PID公式的常量，不同的数值代表着PID系统的微分、积分、比例调节作用的强度和效果。

    3、小结

    在开放式数控系统中应用基于DSP+FPGA的运动控制卡，DSP承担了CNC系统中实时性要求较高的模块功能。利用DSP高速运算能力和实时信号处理能力，采用先进的Bspline插补算法，使该DSP运动控制卡具有高速、高精度的性能，结合FPGA芯片的先进技术，使该运动控制卡的集成性、可靠性大大提高。本运动控制卡目前是基于ISA总线设计的，今后将考虑把该系统移植到PCI总线上，将能进一步提高系统的处理速度能力，适应更高要求。

GE系列点位运动控制器是固高科技自主研发的经济型点位运动控制器，包括GE-X00-PV、GE-X00-PG等几种型号。它主要应用在高速高精度点位运动领域，具有良好的位置速度规划曲线，可实现高速运行和快速准确定位。在PCB钻铣床、表贴机、邦定机等点位控制设备上得到了广泛应用。

技术特点

采用高性能DSP和FPGA 技术。 每块卡可控制1~8个伺服/步进轴，同时进行1~8轴点位运动控制 。 模拟量输出模式下，可编程伺服采样周期，最小可调整为200微秒，最大可调整为2毫秒（默认伺服周期为400微秒）；若任何一个轴为脉冲输出模式，伺服周期固定为400微秒。 运动方式：单轴点位运动、速度控制。 可编程梯形曲线规划和S曲线规划，在线刷新运动控制参数。 所有计算参数和轨迹规划参数均为32位。 可编程禁止或使能驱动报警信号和限位信号监测。 限位触发时自动急停触发轴的运动，驱动报警触发时关闭轴伺服使能。 可设置跟随误差极限、控制输出极限等，保证控制安全可靠。 PID（比例-积分-微分）数字滤波器，带速度和加速度前馈，带积分限值、偏差补偿和低通滤波器。 可编程设置Home信号的触发沿，硬件捕获Home信号和编码器Index信号，实现高精度机器原点位置锁存,具有良好的重复定位精度。 网络接口（以太网、Profibus-DP、RS232、RS422/485）(选件)。

    温度PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55℃，要安装电风扇强迫通风。

    电源PLC供电电源为50Hz、220(1±10%)V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。FX系列PLC有直流24V输出接线端，该接线端可为输入传感器(如光电开关或接近开关)提供直流24V电源。当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。

    PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。

    PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

    交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

    由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。

采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。

    外部安全电路

    保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。

    可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。

    重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。

    良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2，接地电阻小于100Ω；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应与动力设备(如电机)的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近PLC。

    在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置有极高的可靠性。如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。

    在热备用系统中，两台CPU用通讯接口连接在一起，均处于通电状态如图3所示。当系统出现故障时，由主CPU通知备用CPU，使备用CPU投入运行。这一切换过程一般不太快，但它的结构有比冗余系统简单。