基于伺服電機和凸輪分割器同步技術的研究

周斌

【摘要】文章主要介紹了通過倍福TwinCAT 3.0軟件控制伺服電機，用編碼器來采取主軸普通三相異步電機的運行軌跡，再將凸輪分割器的凸輪曲線進行凸輪耦合，再通過固定耦合點來進行同步控制，最終達到伺服電機和凸輪分割器的輸出軸的位置耦合控制。

【關鍵詞】凸輪分割器? 凸輪耦合? 編碼器? TwinCAT 3.0? 伺服控制

一、引言

凸輪分割器，在工程上又稱凸輪分度器、間歇分割器。它是一種高精度的回轉裝置，在當前自動化的要求下，凸輪分度器顯得尤為重要。凸輪分割器廣泛應用于制藥機械、壓力機自動送料機構、食品包裝機械、玻璃機械、陶瓷機械、煙草機械、灌裝機械、印刷機械、電子機械、加工中心自動換刀裝置等需要把連續運轉轉化為步進動作的各種自動化機械上。在現有高效率自動化的情況下，不僅僅需要實現簡單的步進動作，在其運動的過程中，還需和其他裝置進行同步控制，本文章為實現這一功能進行了初步的研究。

二、系統的總體構成

系統主要由倍福Beckhoff的TwinCAT 3.0軟件系統，Beckhoff的工業PC-C6930控制器，倍加福的EtherCAT總線型編碼器，變頻器，1.5KW三相異步電機，凸輪分割器等組成。

三、系統的控制流程

①Beckhoff的軟件系統搭建，硬件環境搭建。②通過控制變頻器來進行對三相異步電機的控制，可以進行速度和加減速度的調整。③通過總線型編碼器來采樣三相異步電機的實時位置。④通過凸輪表（凸輪曲線）來進行軟件的控制。⑤建立虛擬編碼器為主軸，伺服電機為從軸。⑥通過傳感器的位置來采取編碼器的耦合準備位置，進行耦合。⑦根據同步耦合的位置采樣偏差，來進行耦合點的調整。

四、軟件部分核心設計

（1）軟件平臺介紹：TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology，基于Windows的控制和自動化技術）自動化軟件是控制系統的核心部分。TwinCAT 軟件系統可將任何一個基于PC 的系統轉換為一個帶多PLC、NC、CNC 和機器人實時操作系統的實時控制系統。實時以太網技術EtherCAT（用于控制與自動化技術的以太網）具有性能優異、拓撲結構靈活和組態簡單等特點。

（2）凸輪分割器的運動位置采集。凸輪分割器主要構成：入力軸（三相異步電機控制）和出力軸（需要和伺服達到同步）。入力軸每次完成360°旋轉時，出力軸便同時完成一次分度活動（靜止和轉位）。例如：12分割，則代表入力軸完成360°，出力軸則完成30°，而且在一段距離，我們稱為死區，含義為入力軸運動，而出力軸停止。我們現在就要采取入力軸的位置信號，來同步出力軸30°的位置。

圖左是入力軸的位置，也是主軸異步電機控制的軸，80°位置處為死區，出力軸是不運行。在圖右也能看出，入力軸280度開始，出力軸開始不動。

在前面，我們已經把編碼器設置成了虛擬軸，這樣我們可以很方便的知道電機的當前位置，所以我們首先在圖1左處安裝1個光電傳感器，我們需要采集到當入力軸離開死區，我們采到編碼器當前的值，而這個值的模值就是出力軸開始運轉點（圖1右0的位置），我們將在此處根據凸輪耦合點進行開始耦合同步。

（3）軟件的設計和編寫。我們主要通過電子凸輪的控制方式，電子凸輪就是用軟件和控制器代替機械凸輪，實現主軸和從軸之間非線性的位置對應關系，從而實現復雜的運動軌跡。

和機械凸輪相比，電子凸輪具有控制精度高、無磨損、故障率低、控制距離遠、凸輪曲線修改方便等眾多優點。本文利用Twin CAT的凸輪表設計電子凸輪，實現了各軸的凸輪耦合及其伺服控制。

首先需要把凸輪分割器的位置，模擬成為電子凸輪表，從而達到耦合目的。凸輪表的創建基本有2種，方法一，可以選用TwinCAT自帶的Table繪制凸輪表，方法二，可以通過軟件的方式來寫入凸輪表，我們以方法二進行舉例：我們先建立凸輪表中的每個點，先聲明變量為MC_MotionFunctionPoint，接下來我們要對每個點進行賦值，點的參數FunctionType是對運動曲線的定義，系統提供了24條運動曲線，5次多項式函數曲線類型（Automatic）是最靈活的。參數MasterPos和SlavePos是代表主從軸的位置，PointIndex是代表點的順序。

接下來，我們需要聲明一個凸輪表的結構體：MC_CAM_REF，需要把點的參數和點的地址和大小相關參數寫入。

然后再次聲明個功能塊：MC_CamTableSelect，此功能目的是吧凸輪表進行裝載，并且定義它的ID。

最后，我們可以聲明耦合功能塊MC_CamIn，填入所需要耦合的主軸（編碼器軸），以及從軸（伺服電機）。功能塊里面2個參數比較關鍵，StartMode根據需要選擇，分為相對耦合和絕對耦合，選擇不慎很有可能會導致飛車，需要注意。另外關鍵參數Options，我們需要對2個參數進行設定，Options. ActivationMode ：=? MC_CAMACTIVATION_ATMASTERAXISPOS ;意思就是選定某一位置進行凸輪耦合的模式，再通過Options. ActivationPosition 把耦合的位置值寫入，其實這個值我們用傳感器的上升沿已經采取到了。寫入即可，耦合結束。

（4）仿真及結果調整。TwinCAT3.0系統自帶示波器監測功能Scope，我們要選擇主軸和從軸，觀察他們的位置曲線，可以判定我們的同步是否準確，如果發現某一軸有超前或者滯后的情況，我們只需要把耦合位置的偏差值進行修正，即可達到準確的耦合。

五、結語

本文通過一系列方法，將一個普通的三相異步電機控制的凸輪分割器，進行了位置的完美耦合，可以進一步提高了自動化的效率，在運動過程中也能投入運行其他功能，可做為其他類似運動控制的參考。

參考文獻：

[1]易平， 基于四工位轉盤凸輪分割器的選型與應用[J].現代工業經濟和信息化，2017.

[2]李偉光，林思引.基于Twin CAT的壓印轉移設備電子凸輪的設計[J].機電工程技術，2012.