基于CAN总线技术的混合伺服液压机控制系统.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 01 2 0 3 0 0 3 5 0 2 基于C A N总线技术的混合伺服液压机控制系统 乔 礼 惠 。赵 雪 松 ， 吴 国 健 江 苏扬 力液压 机床 有 限公 司 ， 江 苏 扬 州 2 2 5 0 0 9 摘 要 本文打 破传 统 的采用 电液 比例 控制 技术 来控 制 阀开 口大小 的方 式 ， 开发 了一种 新型 的通过 采用伺 服 电机 驱 动定量 泵 与小通 径 电液 比例伺 服 阀相结合 的方式 ， 来实现 对液 压 系统压 力流 量 的控制 ， 从而 实现对 液压 系统速 度 、 定 位 精度 等 的控 制 。 在 基于 C AN 总线技 术基 础上 ， 通过各 种传 感器 对 液压 系统执 行元 件 的位 置 、 速度 、 系统压 力流 量等 参数 的采 集 ， 由运 动控制器 进行 信 息 的综合处 理形 成 闭环 ， 从 而实 现对 液压 系统高 速 、 高精度 的控 制 。 关 键词 机械 设 计 ； 运 动控 制器 ； 伺服 电机 ； C AN 总线 ； 安全 模块 中 图 分 类 号 TG3 1 5 ． 4 文 献 标 识 码 B 0引 言 近 年 来 ， 随 着 工 业 技 术 不 断 发 展 ， 客 户 对 液 压 机 的速度及 定位 精度 提 出了越来 越 高 的要 求 ，低 效率 高 损耗 的生产 方式 已不 能满 足市 场 的需 求 。传 统 的 仅通 过加 大 阀的通 径来 提高 流量从 而 获得 高速 的液 压控 制方 式其 效果 往往 不尽 人意 ，这 主要 是 由于液 压 系统 在实现 运 动速度转 换 时 ，阀 的开 口大小 不能 实现 有效 的 比例流 量控制 ，造 成液 压 冲击甚 至影 响 滑块 定 位位置 的精 确控 制 。 针对 以上 问题 ， 公 司与德 国福 伊 特哈雷 公 司共 同研 制 开发 了一种 混合 伺 服液 压 机 控 制 系 统 ，该 系 统 采 用 小 通 径 电 液 比例 伺 服 阀 与伺 服 电机相 结合 ，通过 集成 式智 能运 动控 制 器实 现对 液 压系统 压力 、 流量 等进 行精 确快 速控 制 ， 从而 大 幅提 高 了液 压机 的运行 速度 、 定 位精度 ， 在 实 现性 能 的高可 靠性 和速 度 的平 稳过 渡 的 同时 ，有 效减 小 了液 压 系统压 力流 量损失 和 液压 系统 的冲击 噪声 。 1系 统 构 成 该液 压机 的控 制系统 主要 由五 个 主体部 分组 成 图 1 德 国 福 伊 特 哈 雷 公 司 的 集 成 式 智能 运动 控制器 、德 国 Ba u mt i l l e r公 司 的伺 服控 制器 和伺 服 电机 、 力 士乐公 司 的 电液 比例伺 服 阀 、 德 国 EL GO公 司 的 位移传 感 器 、 西 门子公 司 的工控 机 。特 别是 整 套 控 制 系 统 预 留 了 至少 十个 轴 的接 口 ， 便 于 连接 机 器 人 、 自动 上 下 料 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 9 作者简介 乔礼惠 1 9 7 9 一 ， 男， 工程师， 从事锻压机械 比例伺 服阀 图 1 混合伺服液压机控制系统配置图 装 置等 外 围设 备 ， 可实 现机 床 的无人 自动化 操作 。 1 ． 1 运动 控制 器 P C U3 1 0 P CU 3 1 0 图 2 是 德 国 福 伊 特 哈 雷 公 司 开 发 的 专 用 于对液 压机 进行控 制 的专用 集成 式智 能运 动控 制 器 ， 可实现 对液 压机 的高 速度及 高精 度 的控制 ， 在 运 动 速 度方 面 机 床 滑块 空 程 快 下 速度 可 达 6 0 0 ram／ s ，工作 速度 可在 5 ～ 4 0 mm／ s范 围 内进 行无 级 随动适 时调整 ， 回程 速度 也可 达到 6 0 0 mr r d s 。同时根据 机床 工 艺要 求 可实 现机 床滑 块 的定 程／ 定 压控 制 ， 并 通过 P I D运算 的运行 ，可实 现在 定程 控 制时 重 复定 位精 4 4 4 4 { 1 4 4 1 1 4 1 4 Ij- 4 “ 4 t -l-lt 删圳4 X 4 0『 X 5 1 l X 4 1 l l X 4 2 ． W Pc o u i t h 3 1 “ 。 ” C A N总线 数字量输 出 数字量输入 模拟量接口 R S 2 3 2 本地 C A N总线 搴 X 3 1 X 3 0 X 5 O X 5 3 I X 1 O 1 j 1 j j 1 j 1 1 1 j j j j 1 1 j J 1 1 1 j j j j j j 』 1 1 1 j j * 撼 图 2 P C U 3 1 0的 1 0配置 { 蛭 瑶 度 可 达 O ． 0 1 mm，而 在实 现定 压 控 制时 压力 误 差范 埘 啦 描 围控 制在 0 ． 5 ％以 内 。另外 通 过 简单 的 参数 调 整和 出 鹾 计研究 模 具 配方 的调用 ，可 以很方 便地 实现 不 同产 品在不 蓬 l _ 0 3 5 同工艺 下 的精确控 制 。 1 ． 2交流伺 服 电机在 液压 系统 中 的应 用 随着微 电子技 术 和变频 技术 的发展 ，使 得将 交 流伺服 电机 运用 到液压 控制 系统 中成 为现实 ，可 在 不改 变泵 的排量 的前 提下 ，只是通 过改 变伺 服 电机 的转 速来 改变泵 的转 速 ， 从 而改变 泵 的输 出流量 ， 同 时也 能达 到调节 执行 元件 速度 的 目的 。 在 系 统 中伺 服 电 机可 始 终 处 于高 效 率 的 5 1 2 作 状 态 ， 系统 综 合 节 电可 达 约 2 0 ％以上 ， 同时简化 了液 压 回路 ， 减少 了液压 系统 的 能 量损失 ， 而且 泵也 可 以选 用 可靠性 高 但 价 格低廉 的定 量泵 ， 从而 提高 了系统 的可 靠 性并 降低 了生产 成本 。 在 此套 系统 中采 用 德 国B a u mt i l l e r的伺 服控 制 器 和伺服 电 机 ， 伺 服 控 制 器 根 据 接 收 到 的 运 动 控 制 器 P CU3 1 0的 指 令 同 时 结 合 伺 服 电 机 自身 编码器 反馈 的信 号进行 综合 运算 ， 根据 运 算 结果 发 出指令 给伺 服 电机 ， 从 而实 现整 个 运 动 的控 制 ， 具 体 接线如 图 3所 示 。 2 CAN 通 信 协 议 的 应 用 C AN总 线是 一 种 对等 式 的层 间现 场 总 线 网 ，协议 比 RS 一 4 8 5协议 更 简单 ， 实 时 性 更好 ， 它 的信 息 帧 短 ， 不 会 因 为长 时 间发送 而影 响其他 节点访 问总线 。 由于采 用 优先 级仲 裁技术 ， 当发 生 总线访 问 冲突 时优先 级高 的信 息仍可 继续 发送 ， 因此 它 更 适 用 于对 数 据 传 输 和实 时 控 制要 求 较 高 的系统 。另外 C A N总线 通信 协议 和接 门锁 的检测 ，控 制机床 的运 行状态 保 障维 护人员 的 安全 ； 同时机床前 后操 作面安 装 了安全光 幕 ， 并通 过 安全 模块 编程进 行控制 ，实 现检测 到危 险 时立 即停 止滑 块等相 关运 动部件 的运行 ，并 立刻 回归起始 位 置 ； 另外 急停控 制按钮 也经 过安全 模块进 行控 制 。 部 分 逻 辑 图 如 4所 示 。 图 3 伺 服控制接线示意图 口简 单 ， 传输 速 率 高 ， 具有 多种错 误 检 测手 段 ， 抗 干 扰性 强 ，可满 足机床 安全 生产监 控 系统对 高可靠 性 的要 求 。 再 有 C AN协议 的最 大特点 是废 除 了传 统 的 站地 址编码 ， 代 之 以对 通信 数据块 进行 编码 。 采 用这 种 方 法 的优 点 是 使 网 络 内 的 节 点 个 数 在 理 论 上 不 受 限制 。 这种按 数据 块编 码 的方 式 ， 可 以很 容易地 实 现 点对 点 的通信 ，因而在锻 压机 床领域 得 到 了广 泛 的 应 用 ，实现控 制 系统与各 检测 元件 和执 行机 构 间的 图 4 安全模块 内部程序 4结束 语 此 控制系统拥 有输入输 出接 口、 通 信接 口等 丰富 的通 信接 口， 最 重要 的是 具有 C AN总线 接 口， 可 在复 杂和干扰 比较强烈 的工业 环境 中进行通信 。同时整个 系统得 到 了较好 的优化设 计 ，系统 运行 快 速而 无超 调 ， 运行效果 良好 。采用 此种控制 系统将大 大缩短混 合伺服液压 机的成套周 期 ， 同时也 降低 了对 于维护人 员 的要求 ， 也不 同程度地提升 了生产效率 。随着控 制 技术 的进一步发展 ， 必将 推动液压机产业 的变革 。 【 参考 文献 】 [ 1 】 俞新陆． 液压机的设计与应用[ M 】 ．北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]2 周明． 现场总线控制系统【 M] ．北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 】 张永强． 交流伺服电动机在液压调速回路中的应用【 J J ． 电气时代 ， 2 0 1 0 ． 3 1 6 3 ． [ 4 ] 刘家磊 ．C A N总线技术在矿井安 全生产 监控系统中的应用[ J ] ． 电 气时代 ， 2 0 1 0 ， 4 1 1 0 8 1 0 9 ． 文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 2 0 3 0 0 3 7 0 5 肘 杆 式 伺 服 压 力 机 运 动 学 仿 真 与 工 艺 轨 迹 规 划 周洋 ，叶春 生 。莫健华 华 中科技 大 学 材 料成 形及模 具 技术 国家 重点 实验 室 ， 湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘 要 基 于肘杆 式压 力机 的基本 结构 ， 进行 运 动 学逆 解分 析 。提 出一种 参数 化组 合 式正弦 函数作 为加速 度 曲线 的加减 速 算法 ， 规 划滑块 的运 动轨 迹 ， 使 滑块 的运 动轨 迹更加 平 滑 ， 提 高 了伺 服压 力机 高 速工 作 时平 稳性 ， 降低 了对 伺服 控制 系统 瞬态 响应 的要求 。利用 Ma t l a b平 台搭 建肘 杆 式压 力机 的运 动学模 型 ， 由给定 的 滑块运 动轨 迹 曲线 ， 仿真得 到精 确 的 曲柄 角位 移 、 角速度 和角 加速度 曲线 ， 可作为 伺服 电机控 制 的输入 量 ， 为 伺服 压力机 的控制提 供 重要依 据 ， 为其 他伺服 压 力机传 动机 构 的分析 和控 制提供 一种 可行 的方 法 。 关 键词 机 械设 计 ； 肘 杆机 构 ； 伺 服压 力机 ； Ma t l a b ／ S i mu l i n k； 运 动学仿 真 ； 工 艺轨 迹规 划 中 图 分 类 号 T G3 1 5 ． 5 文 献 标 识 码 B 近年来 ， 随着 伺服 控制 技术 的飞 速发 展 ， 伺 服 控 制系统 已经广泛 应用 于材料 加 工 的各 个 领域 。伺 服 压 力机 经过 近 十几 年 的快速 发展 ，已大有 取代 传 统 机械压 力 机的趋 势 。 其 主要优 势体 现在 高效性 、 高 精 度 、 高柔 性 、 低 噪声 、 节 能 环保 等 方 面 [ 1 1 1 2 1 。伺 服 压 力 机 的技 术关 键在 于伺 服 电机 的控 制技 术 ，主要 体 现 在 电 机 输 出 功 率 的 控 制 和 滑 块 运 动 轨 迹 曲 线 的 控 制 。一般 而言 ， 只对 输入 的运 动轨迹 进行 单段 处 理 ， 使得 每个 运行 段都有 零速 度 、 加速 、 匀速 、 减 速 、 零 速 的过 程 ， 这 样大 大影 响伺 服压 力机 的加工 效率 ， 同时 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 1 5 作者简介 周洋 1 9 8 6 一 ， 男 ， 硕士在读， 主攻伺服压力机设计研 究 [ 5 】 仝超 ， 乔礼惠． 液压伺服油压机高精控制的实现[ J 1 _锻压装 备与 制造技术， 2 0 1 0 ， 4 5 1 5 9 6 0 ． 频 繁剧烈 的加 减速 会加剧 机 床 的磨 损 ，影 响使用 寿 命【 。本 文 根据不 同的工艺 要求 ， 在不 同的加 5 1 2 段采 用 S形加 速度 曲线 ，使得 速度 和位 移 曲线在 多个 加 5 1 2 段 之 间平滑 过渡 ，形 成连 续平滑 柔性 高 的成 形 曲 线 ， 系 统运 行 更平 滑 ， 减小 了瞬 时 冲击 和 噪声 ， 改 善 了工 作环 境 ， 降低 了对伺 服 系统瞬 时 响应 的要 求 。 借 助 Ma t l a b ／ S i mu l i n k强大 的建模仿 真 能力 ，建立 肘杆 式 伺服压 力 机 的运 动学 模型 ， 得 到 曲柄 的角位 移 、 角 速 度 和角加 速度 曲线 ， 改善 对伺 服 电机 的控 制 ， 从 而 提 高伺 服肘 杆式伺 服压 力机 的工作 性 能 。 1肘 杆 式 传 动 机 构 肘 杆 式 伺 服 压 力 机 是 一 种 多 连 杆 传 动 的压 力 一- - - 一 - 一 - 一 - [ 6 ] 孙友松 ， 何寄平 ， 等． 交流伺 服驱动与成形装备 节能[ J 1 _锻压 装备 与制造技术 ， 2 0 0 9 ， 4 4 5 2 6 3 1 ． Co n t r o l s ys t e m o f hy br i d s e r v o hy d r a u l i c pr e s s ba s e d o n CAN bu s t e c hno l o g y QI AO L i h u i ， Z HAO Xu e s o n g ， WU Gu o j i a n Hy d r a u l i c Ma c h i n e T o o l C o ． ， L t d ． ， J i a n g s u Ya n g l i Gr o u p ， Ya n g z h o u 2 2 5 0 0 9 ， J i a n g s u C h i n a Abs t r a c t Th e t r a d i t i o n a l wa y wh i c h u s e s e l e c t r o-h y d r a u l i c p r o p o r t i o na l c o n t r o l t e c h n o l o g y t o c o n t r o l t he