基于伺服电机和凸轮分割器同步技术的研究

周斌

【摘要】文章主要介绍了通过倍福TwinCAT 3.0软件控制伺服电机，用编码器来采取主轴普通三相异步电机的运行轨迹，再将凸轮分割器的凸轮曲线进行凸轮耦合，再通过固定耦合点来进行同步控制，最终达到伺服电机和凸轮分割器的输出轴的位置耦合控制。

【关键词】凸轮分割器  凸轮耦合  编码器  TwinCAT 3.0  伺服控制

一、引言

凸轮分割器，在工程上又称凸轮分度器、间歇分割器。它是一种高精度的回转装置，在当前自动化的要求下，凸轮分度器显得尤为重要。凸轮分割器广泛应用于制药机械、压力机自动送料机构、食品包装机械、玻璃机械、陶瓷机械、烟草机械、灌装机械、印刷机械、电子机械、加工中心自动换刀装置等需要把连续运转转化为步进动作的各种自动化机械上。在现有高效率自动化的情况下，不仅仅需要实现简单的步进动作，在其运动的过程中，还需和其他装置进行同步控制，本文章为实现这一功能进行了初步的研究。

二、系统的总体构成

系统主要由倍福Beckhoff的TwinCAT 3.0软件系统，Beckhoff的工业PC-C6930控制器，倍加福的EtherCAT总线型编码器，变频器，1.5KW三相异步电机，凸轮分割器等组成。

三、系统的控制流程

①Beckhoff的软件系统搭建，硬件环境搭建。②通过控制变频器来进行对三相异步电机的控制，可以进行速度和加减速度的调整。③通过总线型编码器来采样三相异步电机的实时位置。④通过凸轮表（凸轮曲线）来进行软件的控制。⑤建立虚拟编码器为主轴，伺服电机为从轴。⑥通过传感器的位置来采取编码器的耦合准备位置，进行耦合。⑦根据同步耦合的位置采样偏差，来进行耦合点的调整。

四、软件部分核心设计

（1）软件平台介绍：TwinCAT（The Windows Control and Automation Technology，基于Windows的控制和自动化技术）自动化软件是控制系统的核心部分。TwinCAT 软件系统可将任何一个基于PC 的系统转换为一个带多PLC、NC、CNC 和机器人实时操作系统的实时控制系统。实时以太网技术EtherCAT（用于控制与自动化技术的以太网）具有性能优异、拓扑结构灵活和组态简单等特点。

（2）凸轮分割器的运动位置采集。凸轮分割器主要构成：入力轴（三相异步电机控制）和出力轴（需要和伺服达到同步）。入力轴每次完成360°旋转时，出力轴便同时完成一次分度活动（静止和转位）。例如：12分割，则代表入力轴完成360°，出力轴则完成30°，而且在一段距离，我们称为死区，含义为入力轴运动，而出力轴停止。我们现在就要采取入力轴的位置信号，来同步出力轴30°的位置。

图左是入力轴的位置，也是主轴异步电机控制的轴，80°位置处为死区，出力轴是不运行。在图右也能看出，入力轴280度开始，出力轴开始不动。

在前面，我们已经把编码器设置成了虚拟轴，这样我们可以很方便的知道电机的当前位置，所以我们首先在图1左处安装1个光电传感器，我们需要采集到当入力轴离开死区，我们采到编码器当前的值，而这个值的模值就是出力轴开始运转点（图1右0的位置），我们将在此处根据凸轮耦合点进行开始耦合同步。

（3）软件的设计和编写。我们主要通过电子凸轮的控制方式，电子凸轮就是用软件和控制器代替机械凸轮，实现主轴和从轴之间非线性的位置对应关系，从而实现复杂的运动轨迹。

和機械凸轮相比，电子凸轮具有控制精度高、无磨损、故障率低、控制距离远、凸轮曲线修改方便等众多优点。本文利用Twin CAT的凸轮表设计电子凸轮，实现了各轴的凸轮耦合及其伺服控制。

首先需要把凸轮分割器的位置，模拟成为电子凸轮表，从而达到耦合目的。凸轮表的创建基本有2种，方法一，可以选用TwinCAT自带的Table绘制凸轮表，方法二，可以通过软件的方式来写入凸轮表，我们以方法二进行举例：我们先建立凸轮表中的每个点，先声明变量为MC_MotionFunctionPoint，接下来我们要对每个点进行赋值，点的参数FunctionType是对运动曲线的定义，系统提供了24条运动曲线，5次多项式函数曲线类型（Automatic）是最灵活的。参数MasterPos和SlavePos是代表主从轴的位置，PointIndex是代表点的顺序。

接下来，我们需要声明一个凸轮表的结构体：MC_CAM_REF，需要把点的参数和点的地址和大小相关参数写入。

然后再次声明个功能块：MC_CamTableSelect，此功能目的是吧凸轮表进行装载，并且定义它的ID。

最后，我们可以声明耦合功能块MC_CamIn，填入所需要耦合的主轴（编码器轴），以及从轴（伺服电机）。功能块里面2个参数比较关键，StartMode根据需要选择，分为相对耦合和绝对耦合，选择不慎很有可能会导致飞车，需要注意。另外关键参数Options，我们需要对2个参数进行设定，Options. ActivationMode ：=  MC_CAMACTIVATION_ATMASTERAXISPOS ;意思就是选定某一位置进行凸轮耦合的模式，再通过Options. ActivationPosition 把耦合的位置值写入，其实这个值我们用传感器的上升沿已经采取到了。写入即可，耦合结束。

（4）仿真及结果调整。TwinCAT3.0系统自带示波器监测功能Scope，我们要选择主轴和从轴，观察他们的位置曲线，可以判定我们的同步是否准确，如果发现某一轴有超前或者滞后的情况，我们只需要把耦合位置的偏差值进行修正，即可达到准确的耦合。

五、结语

本文通过一系列方法，将一个普通的三相异步电机控制的凸轮分割器，进行了位置的完美耦合，可以进一步提高了自动化的效率，在运动过程中也能投入运行其他功能，可做为其他类似运动控制的参考。

参考文献：

[1]易平， 基于四工位转盘凸轮分割器的选型与应用[J].现代工业经济和信息化，2017.

[2]李伟光，林思引.基于Twin CAT的压印转移设备电子凸轮的设计[J].机电工程技术，2012.