如何实现多伺服电机同步控制？

在印刷机械行业中，多电机的同步控制是一个非常重要的问题。由于印刷产品的特殊工艺要求，尤其是对于多色印刷，为了保证印刷套印精度(一般≤0.05mm)，要求各个电机位置转差率很高(一般≤0.02%)。在传统的印刷机械中，以往大都采用以机械长轴作为动力源的同步控制方案，但机械长轴同步控制方案易出现振荡现象，各个机组互相干扰，而且系统中有许多机械零件，不方便系统维护和使用。随着机电一体化技术的发展，现场总线技术不断应用到各个领域并得到了广泛的应用。本文针对机组式印刷机械的同步需求，提出了一种基于CAN现场总线的同步控制解决方案，并得以验证。

无轴传动印刷机控制系统的同步需求

机组式卷筒印刷机一般由给纸机组、印刷机组、张力机组、加工机组和复卷机组等机组组成。在传统的有轴传动印刷机中，动力源由异步电机通过皮带轮带动一根机械长轴(约10-20m)，然后通过长轴带动各机组的齿轮、凸轮、连杆等传动元件，再通过传动元件带动设备的执行元件完成设备的输人、输出任务。

卷筒印刷机要求印刷速度为300m/min，套印精度≤0.03mm，为了满足套印精度，要求在各个机组定位精度≤0.03mm。在印刷机印刷过程中，要求各机组轴与机械长轴保持一定的同步运动关系，能否很好的实现各个机组轴的同步关系，将直接影响到印刷速度、套印精度等。其中，给纸机组、印刷机组要求与主轴转动速度成一定的比例关系，张力机组根据不同的印刷速度调整张力系数，加工机组需要与主轴保持凸轮运动关系，而复卷机组的运动规律，要求随着纸卷直径的增大而减小。

我们把机械长轴作为主轴(参考轴)，各印刷机组轴为从动轴，如图1，各从动轴与主轴要满足同步关系θ1=f1(θ) ，θ2=f2(θ) ，θ3=f3(θ) ··· ，其中，θ为主轴位置转角，θ1、θ2、θ3···为从动轴位置转角。

图 1 主从轴同步关系

控制系统设计

考虑到印刷机中同步运动关系复杂，套印精度高、印刷机组点多、分散，多操作子站，印刷生产线长等特点，采用全分散、全数字、全开放的现场总线控制系统FCS，总线的选择选用CAN总线。

为了实现各个印刷机组的复杂同步关系，将主控制器和各个电机的伺服驱动器都挂接到CAN总线上，构成以印刷机控制器为核心的CAN现场总线系统，如图2。

控制器和伺服驱动器都配有CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C250的通讯适配卡，通过连接在印刷机控制器上的CAN通讯适配卡，控制器可以方便、快速的与各伺服驱动器通讯，向各个伺服单元发送控制指令和位置给定指令，并实时获得各个伺服电机的状态信息，按照需要实时地对伺服参数进行修改，各个伺服单元也可以通过CAN总线及时的进行数据交换。各个伺服驱动器在获得自己的位置参考指令后，紧密的跟随位置指令。由于控制器的位置指令直接输入到各个伺服驱动器，因此每个伺服驱动器都获得同步运动控制指令，不受其他因素影响，即任一伺服单元都不受其他伺服单元的扰动影响。在这个系统中，控制器和各个伺服驱动器都作为一个网络节点，形成CAN控制网络。同时，由于采用现场总线控制系统，可以根据印刷规模，扩展网络节点个数。

图2 同步控制系统图

编码器和伺服电机的选择

在大惯量负载印刷系统中，编码器和伺服系统的选择尤为重要。以BF4250卷筒纸印刷机为例，其负载转动惯量很大，其中柔印机组为0.13 kg·m2，胶印机组转动惯量最大，为0.33 kg·m2。

由于系统定位精度要求≤0.03mm，考虑到负载的大惯量性，把控制周期定为2ms，要求位置环稳态误差为±1个脉冲。根据定位精度和稳态误差，可以折算出编码器线数为17000线，可是考虑到在实际印刷过程中，要不断调整不同机组的位置，如果编码器分辨率选17000线，在调整印辊时，由于机组转动惯量很大，将会产生很大的角加速度，进而产生很大的转矩。例如对于胶印机组，调整角加速度超过700 rad/s2，调整转矩超过200N·m，一般的电机无法满足要求。

综合考虑，选择编码器分辨率为40000线，这样在调整过程中，减小了电机的调整加速度，进而减小了调整转矩。例如在负载惯量最大的胶印机组中，调整角加速度为78.6rad/s2，调整转矩为26 N·m，凯奇电气公司的90M系列伺服电机完全可以满足要求。

时钟同步机制