丹佛斯運動控制器在遠程伺服控制中的應用
The application of Danfoss Motion Controller in remote servo control
引言：伺服位置控制是工業自動化領域經常遇到的控制需求，過去經典的解決方案是用運動控制模塊發送脈沖信號控制步進或伺服驅動系統。但是隨著生產和技術發展，伺服驅動功率越來越大，控制方法也逐步從脈沖控制變為高速通訊控制。丹佛斯運動控制器能與驅動器和各種現場總線通訊卡緊密結合，為用戶提供了可編程開放式的通訊控制接口，是目前市場上性價比最高的通用遠程伺服控制工作站之一。
摘 要：目前生產中用到的較先進的伺服控制系統通常采用專用的運動控制模塊，加上專用的高速通訊總線，再加上專用的伺服驅動系統組成。但是如果以丹佛斯運動控制器作為遠程伺服控制工作站，則往上能適配市場上幾乎全部主流高速現場總線，即適用于任意上位機；往下適配任意同步或異步伺服電機。本文謹以Epsilon SWB 發泡模機4軸位置伺服控制為例，介紹了丹佛斯運動控制器作為遠程伺服控制工作站的應用辦法和經驗。
關鍵詞： 伺服控制 現場總線通訊 異步伺服電機 機械抱閘控制
Abstract: The advanced servo control system used by now was usually consisted by special motion control unit, special high speed communication bus, and special servo drive system. But if used Danfoss motion control unit as a remote servo control workstation, it can link any master through any mainstream high speed field-bus as well as drive any synchronous or asynchronous servo motor. The thesis will discuss the resolution and experience of Danfoss Motion Controller used as remote servo control workstation in the Epsilon SWB epispastic molding machine’s 4 axes position control.
Key words: Servo Field-Bus Asynchronous-Servo-Motor Mechanical-Brake-Control
一、 Epsilon SWB發泡模機運動控制要求：
右圖為Epsilon SWB發泡模機的基本機械
結構圖。
該機有上模翻轉、下模翻轉、整體翻轉3
個角度位置控制和上模升降一個垂直位置控制，
定位精度要求都很高。其中上模滿載時重達半噸。
電驅動必須實現并滿足如下要求：
1. 發泡模機在機械上為對稱結構，上模升降、下模翻轉和整體翻轉這三個基本動作都是由兩邊兩臺電機同時驅動的，電機和減速機構型號規格完全相同。這樣如何使兩臺剛性連接的電機輸出轉速輸出轉矩保持一致，是電氣驅動需要解決的難題之一。
如果使用同步伺服電機，這將是一個非常困難的控制要求。可行的辦法為令其中一臺同步伺服電機作主機，工作于速度（位置）模式；另一臺同步伺服電機作輔機，工作于轉矩模式，其轉矩給定值為主伺服電機的輸出轉矩值。
但是如果使用異步伺服電機，用一臺伺服驅動器同時驅動兩臺電機，利用異步電機的固有特性，可以方便地實現轉速同步，并且轉矩輸出一致。右圖為此種運行模式時兩臺電機的輸出轉矩，可見輸出轉矩的不平衡是由于電機的轉矩-轉差特性不同造成的，這個問題可以用選擇相同廠家相同型號電機的辦法解決，而且最好是選額定轉差比較大的異步電機。
丹佛斯FC302驅動器能夠同時帶兩臺異步伺服電機，作電機自適應時只要將電機功率、電機電流設為2臺異步伺服電機的總合就可以了。
2. 機械抱閘控制
上模非常重，起動時如果驅動器和機械抱閘配合不好，很容易下溜或上沖。
丹佛斯FC302驅動器內置起重設備專用的機械抱閘控制輸出，上圖為其動作的時序圖，電機起動之初是工作于轉矩輸出方式的，在機械抱閘逐步松開的過程中，電機控制模式也平滑地從轉矩控制模式轉換為轉速控制模式。在過渡期間，還可以提升轉速控制的PID，有助于進一步提高驅動器的負載響應能力。
3. 下模翻轉和整體翻轉是通過曲柄機構實現的，因此實際機械角度與電機角位移是非線性關系
這要靠運動控制器內部運算或用查表插值運算的辦法解決。
二、 運動控制的高速總線通訊接口程序編制和定義：
現場總線通訊控制在主站和從站之間傳遞預定字長的過程數據，丹佛斯運動控制器在現場總線網絡中作為遠程伺服控制工作站運行，控制命令的執行和實際位置、狀態的反饋全靠過程數據交互實現。為了方便與其他主機的銜接，在參考了西門子FM系列運動控制模塊的控制辦法，再結合現場總線的控制特點，定義了如下過程數據：
表一：過程數據PCD定義
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PCD1 |
PCD2 |
PCD3 |
PCD4 |
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寫入 |
控制字 |
速度給定 |
位置給定 |
轉矩給定 |
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讀出 |
狀態字 |
當前實際速度 |
當前實際位置 |
當前實際轉矩 |
其中控制字定義如下：
表二：控制字定義
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位 |
位 = 0 |
位 = 1 |
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0 |
自由運行 |
伺服鎖定 |
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1 |
正轉 |
反轉 |
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2 |
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點動 |
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3 |
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轉速控制模式 |
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4 |
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轉矩控制模式 |
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5 |
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相對定位控制模式 |
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6 |
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絕對定位控制模式 |
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7 |
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回零位 |
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8 |
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故障復位 |
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9 |
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動作完成標志清除 |
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10-15 |
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保留 |
狀態字定義如下：
表三：狀態字定義
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位 |
位 = 0 |
位 = 1 |
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0 |
無正轉限位信號 |
正轉限位信號動作 |
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1 |
無反轉限位信號 |
反轉限位信號動作 |
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2 |
機械制動抱緊 |
機械制動釋放 |
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3 |
運動過程中 |
動作完成 |
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4 |
驅動系統正常 |
驅動系統報警 |
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5 |
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運動控制器控制就緒 |
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6 |
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回零位完成 |
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7-15 |
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保留 |
三、 丹佛斯運動控制器簡介：
丹佛斯運動控制器是與丹佛斯的FC300系列驅動器緊密
結合的，其接口如右圖所示：
X55為編碼器2輸入接口，缺省用于連接從電機編碼器；
X56為編碼器1輸入接口，缺省用于連接主電機編碼器；
X57為10數字量輸入接口；
X58為24VDC電源；
X59為8數字量輸出接口。
丹佛斯運動控制器的編程方式
丹佛斯運動控制器使用丹佛斯公司開發的Aposs運動控制語言，其編程風格模仿C語言，并提供多種便利指令，其界面如下圖所示：
1 普通剩余電流保護器工作原理
丹佛斯運動控制器能提供如下基本功能：
1． 輸入輸出邏輯控制功能；
2． 同步控制功能，電子凸輪；
3． 定位控制功能；
4． 中斷功能，如時間中斷，I/O中斷等；
5． 基本數學、邏輯運算功能；
……
丹佛斯運動控制器支持的高速通訊協議：
Profibus、CANopen、DeviceNet、Interbus、LonWorks、工業以太網
……
丹佛斯運動控制器程序例（部分）：
//HOME MODE 1
IF (step==16) THEN
homevel = GET HOME_VEL
IF (home_done==0) THEN
servo_on = 1
IF (svon_dlyt.2==1) THEN
IF (homevel>0 AND ls_fwd==0) OR (homevel<0 AND ls_rev==0) THEN
IF (home_dog==1) THEN
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
step = 17
ELSE
ACC 50
CVEL homevel
CSTART
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
IF (home_dog==1) THEN
step = 17
ELSE
step = 18
ENDIF
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
ENDIF
ELSE
CSTOP //CVEL 0
//CSTART
step = 10
ENDIF
ENDIF
四、 主控PLC的編程辦法：
主機中關于運動控制部分的子程序可以按如下邏輯框圖編程：
程序例：
（略）
使用效果：
系統實際運行效果非常理想，響應速度快、速度平穩，完全達到了控制技術要求。通用的丹佛斯遠程控制器達到了替代專用PLC運動控制模塊的作用。FC302的優異性能，保障了定位精度。由于自定義的通訊過程數據、控制字定義清晰簡潔，主機控制程序開發變得更容易了。
結束語：使用西門子的PLC加西門子的位置控制模塊，編程會是一個艱巨而繁復的工作，但是利用Profibus現場通訊總線直接控制控制丹佛斯的運動控制器，將繁復的程序功能交給遠程伺服工作站以分布式方式處理，不但可以節省系統成本，還大大提高了整機開發速度，值得在自動化控制領域推廣。
參考文獻
[1] FC300編程指南. MG.33.M4.41. Danfoss A/S. 2008
[2] 運動控制器MCO305使用說明. MG.33.K2.02. Danfoss A/S. 2007
[3] 運動控制器MCO305設計指南. MG.33.L2.02. Danfoss A/S. 2007
