CN105897068B - 一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，包括运动控制器，所述运动控制器通过总线控制多个伺服驱动器和电机；所述多个电机中包括两个主轴电机，两个主轴电机采用力矩模式进行控制；所述运动控制器通过现场总线实时获取力矩控制数据，并根据获取的力矩控制数据实现对两个主轴电机的控制。本发明能够提高双电机的同步性，解决了两个主辊电机的同步延时和震荡问题，同时节省了传输皮带，降低系统噪声。

Description

一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统。

背景技术

蓝宝石作为一种重要的技术晶体，可广泛应用在军事、航空、电子消费产品等领域。蓝宝石应用具有广阔的前景，尤其是在电子消费和LED基础应用领域。

由于蓝宝石、碳化硅的莫氏硬度大于等于9，仅次于金刚石的硬度，是典型的硬脆材料，切割起来非常困难，为了解决这个切割难题，早期采用内圆外圆或者多刀的形式进行切割，但是其效率低且损耗大。后期，无论是切单(多)晶硅，还是切水晶的多线切割机都采用平面升降切割的方式，金属线和待切工件都是线接触，这会导致蓝宝石切割效率低下，甚至不能完成切割。本发明中涉及的多线切割机系统控制了一台摇摆电机带动摇摆连杆机构，带动工作台做正负10度的摇摆，多线切割时，切割线和工件的接触面积小，切削负载小，可以用来切割更大幅度的工件。

目前的蓝宝石多线切割机，主轴部分都是采用一个电机带动两个主辊进行切割，两个主辊之间采用皮带进行传动。这样，机械噪音很大，同时皮带损耗很大，系统维护困难。

市场上后来出现了两个电机分别带动两个主辊的结构，但是两个电机的同步控制困难，采用一个速度一个转矩的控制模式。在使用一个伺服驱动器带动一个电机做速度控制，另外一个伺服驱动器采用力矩控制时，其中速度控制的电机保证系统所要求的速度，力矩控制的电机输出一定的力矩来分担负载。这种模式的缺点是系统的稳定性不好，很容易发生震荡。在速度进行正反向切换的时候，力矩控制的电机如果控制不好，就成为了速度控制电机的负载，系统就会震荡，切割线很容易折断，因此需要更好的方法和系统来解决同步问题，此外，控制系统的信号采用脉冲和模拟量方式，其干扰一直是一个很难解决的问题，导致控制效果较差。

现有技术CN 102904496 A公开了一种双电机同步控制系统，包括：两个电机串级控制部以及一同步控制器。其中，电机串级控制部，用于设定电机的参数信息以及控制模式，并根据参数信息以及控制模式驱动电机运转，根据控制模式输出电机的实际转速或者实际位置，同步控制器，用于接收电机的实际转速或者实际位置，并根据设定转速或设定位置对电机的运动进行补偿，其采用的是两个速度控制模式，虽然通过对电机的运动进行补偿来提高两个电机的同步性，但是其仍然存在控制滞后的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，提高双电机的同步性，解决了两个主辊电机的同步延时和震荡问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，包括运动控制器，所述运动控制器通过总线控制多个伺服驱动器和电机；所述多个电机中包括两个主轴电机，两个主轴电机采用力矩模式进行控制；所述运动控制器包括力矩接收单元和主轴控制单元，所述力矩接收单元通过现场总线实时获取力矩控制数据，所述主轴控制单元根据获取的力矩控制数据实现对两个主轴电机的控制。

所述运动控制器包括两个以太网口，其中一个以太网口通过Ethercat协议连接多个伺服驱动器和电机，另一个以太网口通过Modbus TCP协议连接人机界面。

所述运动控制器还包括速度接收单元和速度控制单元，所述速度接收单元用于接收来自两个主轴电机编码器反馈的速度信号；所述速度控制单元根据收到的速度信号完成对两个主轴电机的速度闭环控制，使得两个主轴电机的线速度与切割线设定的线速度保持一致。

所述主轴电机的编码器采用正余弦编码器。

所述多个电机中还包括张力电机、收卷电机和放卷电机，所述运动控制器还包括转速接收单元、位置接收单元和收放卷控制单元，所述转速接收单元用于接收主轴电机的转速；所述位置接收单元用于接收张力电机编码器的反馈信号；所述收放卷控制单元根据收到的主轴电机的转速和张力电机编码器的反馈信号完成对收卷电机和放卷电机的控制。

所述多个电机中还包括收排电机和放排电机，所述运动控制器还包括排线速度接收单元、换向判断单元、边界判断单元和收放排控制单元；所述排线速度接收单元用于接收收排电机和放排电机的线速度；所述换向判断单元用于判断接收到的线速度是否小于换向预设值；所述边界判断单元用于判断接收到的线速度是否为边界阈值；所述收放排控制单元在接收到的线速度小于换向预设值时控制收排电机和放排电机先加速再减速，在接收到的线速度为边界阈值时控制收排电机和放排电机先加速再减速。

所述伺服驱动器和电机采用一体式结构。

所述运动控制器通过差分方式进行数据传输。

所述伺服驱动器预留直流母线供电接口，且与整流逆变单元相连。

所述运动控制器集成第三方工具和路由器功能，通过运动控制器能够直接调试连接在运动控制器上的伺服驱动器的参数。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明通过两主轴力矩同步控制双电机使得同步性更好，解决了两个主辊电机的同步延时和震荡问题，另外采用两个主轴同步取消传动皮带，避免了传动皮带的磨损和维护问题。

2.本发明采用的运动控制器采样周期达到1KHZ，把伺服电机控制的惯量补偿完全放在了上位控制器中，而不是放在伺服驱动器内部，可以根据加速度，负载惯量，摩擦力的变化灵活的进行补偿，以达到良好的同步效果。

3.电机的控制采用总线通讯的方式，突破了传统脉冲方式的最高脉冲频率对最高速度和最大精度的限制，在保证高精度的情况度下实现高速度，控制器与电机之间使用EtherCAT进行通讯，其布线更方便，维护成本更低，传输速度更快，一个控制周期控制在2ms以内，精度更高。控制系统可以轻松读取伺服驱动器中的所有参数，更加方便进行各种控制操作。

4.张力电机的收放臂位置反馈采用系统自带的电机编码器，实时测量高度摆杆位置，系统对高度进行处理，使得整个控制过程更为方便，响应速度更快，性价比更高。

5.运动控制器集成驱动器第三方工具，通过控制器能够直接调试连接在控制器上的伺服驱动器的参数，无需来回去切换驱动器的通讯线，即可实现驱动器参数的调整；控制器也可做为连接到驱动器的路由，可以不用接任何的调试线，用驱动器自带的软件进行调试，这种方式可以减少调试难度。

6.驱动器电机一体化电机系统采用共直流母线技术和驱动器电机一体化技术，节省了电机和驱动器之间的连线，使整个系统更节能，布线更省，降低了干扰。

7.远程IO采用总线方式进行扩展，也可以大大减少线缆的长度。

附图说明

图1是本发明的整体框图；

图2是本发明中切割机系统示意图；

图3是本发明中运动控制器的结构框图；

图4是本发明中收排线速度控制流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，包括运动控制器，所述运动控制器通过总线控制多个伺服驱动器和电机；所述多个电机中包括两个主轴电机，两个主轴电机采用力矩模式进行同步控制；所述运动控制器通过现场总线实时获取力矩控制数据，并根据获取的力矩控制数据实现对两个主轴电机的控制。

如图1所示，采用运动控制器通过Ehtercat总线来控制多个伺服驱动器和电机，其中，包括两个主轴电机、摇摆电机、工作台电机、放卷电机、收卷电机、两个张力电机、放排电机和收排电机。两个主轴电机采用力矩模式进行控制，运动控制器通过现场总线实时获取力矩控制数据，并根据得到的数据控制主轴电机运动，同时人机界面进行数据的设定和监控，并可以通过人机界面进行系统的远程诊断和控制。

图1中，运动控制器的控制轴数会根据系统要求不同而有些变化。在没有摇摆蓝宝石多线切方机控制系统时，运动控制器控制9个轴；在有摇摆蓝宝石多线切方机控制系统，运动控制器控制10个轴。蓝宝石多线切方机控制系统所采用的触摸屏根据设备需要，该触摸屏的大小可以是15寸，也可以是12寸或者10寸的。

系统中采用的运动控制器是Robox的uRMC2，该控制器本身集成有两个以太网口，两个以太网口都可以支持标准的Ethercat协议和Modbus TCP协议，其中一个以太网口用来连接10个伺服驱动器和电机，并走Ethercat协议；另一个以太网口用来连接人机界面，走Modbus TCP协议。该控制器集成8路开关量输入，8路开关量输出，都是PNP类型。该控制器具有128K断电保持存储区，不通过特殊处理就可以安全保存参数。该控制器采用飞思卡尔Power PC MPC5200控制器，1.2G双核，外形尺寸:230x77x85mm，64Mbyte DRAM，128KbyteCMOS，可以水平和垂直安装。该系统采用的人机界面是Robox的RHMI15，15寸，65536色的TFT真彩液晶屏，铝合金外壳。

除上述控制器外，系统还可以采用其他厂家的控制器，可以实现同样的功能，如倍福的CP6522。该控制器主板集成4个RS422串口，1个RS232串口，8个USB2.0，不间断电源UPS，带10/100BASE-T接口的双以太网适配器。该控制器前面板是15英寸显示器，分辯率为1024*1024。该控制器带数字键盘和PLC专用功能键盘。该控制器采用Intel Core 2.0GHz处理器，521MB DDR2RAM内存(可扩展2GB)和160GB SATA硬盘。

切割机系统如图2所示，该系统采用的伺服驱动器：主轴电机1，副主轴电机2、收卷电机3和放卷电机4，两个张力电机7和8，收排电机5、放排电机6、工作台电机9和摇摆电机10。

如图3所示，所述运动控制器包括力矩接收单元和主轴控制单元，所述力矩接收单元通过现场总线实时获取力矩控制数据，所述主轴控制单元根据获取的力矩控制数据实现对两个主轴电机的同步控制。所述运动控制器还包括速度接收单元和速度控制单元，所述速度接收单元用于接收来自两个主轴电机编码器反馈的速度信号；所述速度控制单元根据收到的速度信号完成对两个主轴电机的速度闭环控制，使得两个主轴电机的线速度与切割线设定的线速度保持一致，从而使得线速度的稳定波动变小提高切割材料表面粗糙度，同时可以防止断线。

本实施方式中两个主轴电机都采用转矩控制，避免了两个电机互相为负载发生震荡的情况。两个伺服驱动器分别采用力矩模式带动一个电机，两个电机的速度闭环在运动控制器中完成。因为运动控制器同时发送两个电机的电流出来，电流方向时刻保持一致，不会有震荡的情况发生。

所述运动控制器还包括转速接收单元、位置接收单元和收放卷控制单元，所述转速接收单元用于接收主轴电机的转速；所述位置接收单元用于接收张力电机编码器的反馈信号，得到张力摆杆的位置；所述收放卷控制单元根据收到的主轴电机的转速和张力摆杆的位置完成对收卷电机和放卷电机的控制，从而对收放线卷电机进行位置调控。

本发明中采用的两个张力电机、额定转速只有600转每分钟，电机的转矩常数达到了7.13N/A,额定电流只有5.94A,收卷额定功率2.66KW。而市场主流张力电机都是采用2000转每分钟，额定电流15A以上，额定功率5KW以上，相配套的伺服驱动器功率是本系统中电机功率的3倍以上。采用本系统中的张力电机，可以节约能量，减小张力伺服驱动器的功率和体积。系统中采用的张力电机，电机自带的编码器是旋转变压器，可以记忆一圈的位置。因为张力电机所拖动的张力摆杆，运动范围是正负25度，在一圈之内，所以旋转变压器的性价比非常高，断电后可以记忆位置，同时抗干扰能力强，成本很低，同时又是张力摆杆的位置反馈装置，反馈位置信号给收放线卷电机，进行位置调。

所述运动控制器还包括排线速度接收单元、换向判断单元、边界判断单元和收放排控制单元；所述排线速度接收单元用于接收收排电机和放排电机的线速度；所述换向判断单元用于判断接收到的线速度是否小于换向预设值；所述边界判断单元用于判断接收到的线速度是否为边界阈值；所述收放排控制单元在接收到的线速度小于换向预设值时控制收排电机和放排电机先加速再减速，在接收到的线速度为边界阈值时控制收排电机和放排电机先加速再减速。

本系统中的收放排电机需要在高速换向时保证系统排线不会超出设定范围，但是高速换向对机械有很大的冲击，低速换向又会严重超调。系统采用了高速动态跟随功能，提前采用一个很大的减速度进行减速，然后用一个很大的加速度进行加速，达到很小的跟随误差的目的，具体步骤如图4所示。

由此可见，本发明在进行系统控制时，两个主轴电机的伺服驱动器采用转矩控制模式，在运动控制器中完成两个主轴电机的速度闭环控制，运动控制器的速度反馈信号来源于两个主轴电机的编码器，为了提高检测到精度，两个主轴电机采用正余弦编码器。运动控制器还控制收卷电机和放卷电机，其信号参考来源于主轴电机的转速，位置参考来源于张力电机的编码器。两个张力电机采用额定转速600RPM的产品，额定转速设计低，电机的扭矩常数大，额定电流就很小，系统节能明显。其中，所有伺服驱动器预留了直流母线供电接口。另外，伺服驱动器自带IO，用于连接传感器信号，通过ETHERCAT总线传输给运动控制器。

另外，本发明中运动控制器的数据传输方式可以采用差分方式进行，例如可以采用双绞线作为传输介质，发送端的两路信号必须分别使用一对双绞线进行信号传输，发送端的两路信号传输幅值相等相位相反的信号，运动控制器的接收单元对接收的两路信号做减法运算，这样就获得幅值翻倍的信号，如果两路信号都受到了同样的干扰信号，由于接收单元对两路信号做减法运算，因此干扰信号被基本抵消，从而使得整个系统的抗干扰能力得到加强。

伺服驱动器预留了直流母线供电接口，所有的驱动器不需要单独采用380V电源供电，所有驱动器的能量可以共享，在有的驱动器减速的时候，会发电产生能量，这个能量可以用来给加速或者匀速的驱动器使用，达到节能的目的。另外，所有的伺服驱动器可以连接到一个整流逆变单元，把整台设备制动时发生的能量反馈到电网。由于这台设备是频繁正反转的，有高达20KW的制动电阻用于消耗能量，采用逆变电源回馈电网后，可以节约20％以上的能量。

以蓝宝石为例，在进行多线切割时，包括以下步骤：(1)系统启动，初始化参数，包括主轴带动的主辊直径和惯量；(2)系统回零操作，收放排电机，张力电机，工作台和摇摆电机要进行回零操作；(3)检查10个电机的运行方向，是否与实际需要相符合，如果不符，改变方向；(4)闭环系统的PID参数优化；(5)安全性保护，设置相应的上下限及报警提示。

不难发现，本发明通过两主轴力矩同步控制双电机使得同步性更好，解决了两个主辊电机的同步延时和震荡问题，另外采用两个主轴同步取消传动皮带，避免了传动皮带的磨损和维护问题。本发明采用差分方式进行数据传输使得抗干扰能力得到加强，而脉冲和模拟量方式的干扰一直是一个很难解决的问题。本发明采用Ethercat总线进行控制，控制系统可以轻松读取伺服驱动器中的所有参数，更加方便进行各种控制操作。另外本发明采用一体式驱动的电机产品，节省了电机和驱动器之间的连线，节省成本，降低了干扰。另外，远程IO采用总线方式进行扩展，也可以大大减少线缆的长度。

Claims (8)

1.一种硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，包括运动控制器，其特征在于，所述运动控制器通过总线控制多个伺服驱动器和电机；所述多个电机中包括两个主轴电机，两个主轴电机采用力矩模式进行同步控制；所述运动控制器包括力矩接收单元和主轴控制单元，所述力矩接收单元通过现场总线实时获取力矩控制数据，所述主轴控制单元根据获取的力矩控制数据实现对两个主轴电机的控制；所述运动控制器还包括速度接收单元和速度控制单元，所述速度接收单元用于接收来自两个主轴电机编码器反馈的速度信号；所述速度控制单元根据收到的速度信号完成对两个主轴电机的速度闭环控制，使得两个主轴电机的线速度与切割线设定的线速度保持一致；所述多个电机中还包括收排电机和放排电机，所述运动控制器还包括排线速度接收单元、换向判断单元、边界判断单元和收放排控制单元；所述排线速度接收单元用于接收收排电机和放排电机的线速度；所述换向判断单元用于判断接收到的线速度是否小于换向预设值；所述边界判断单元用于判断接收到的线速度是否为边界阈值；所述收放排控制单元在接收到的线速度小于换向预设值时控制收排电机和放排电机先加速再减速，在接收到的线速度为边界阈值时控制收排电机和放排电机先加速再减速。

2.根据权利要求1所述的硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，其特征在于，所述运动控制器包括两个以太网口，其中一个以太网口通过Ethercat协议连接多个伺服驱动器和电机，另一个以太网口通过Modbus TCP协议连接人机界面。

3.根据权利要求1所述的硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，其特征在于，所述主轴电机编码器采用正余弦编码器。

4.根据权利要求1所述的硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，其特征在于，所述多个电机中还包括张力电机、收卷电机和放卷电机，所述运动控制器还包括转速接收单元、位置接收单元和收放卷控制单元，所述转速接收单元用于接收主轴电机的转速；所述位置接收单元用于接收张力电机编码器的反馈信号；所述收放卷控制单元根据收到的主轴电机的转速和张力电机编码器的反馈信号完成对收卷电机和放卷电机的控制。

5.根据权利要求1所述的硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，其特征在于，所述伺服驱动器和电机采用一体式结构。

6.根据权利要求1所述的硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，其特征在于，所述运动控制器通过差分方式进行数据传输。

7.根据权利要求1所述的硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，其特征在于，所述伺服驱动器预留直流母线供电接口，且与整流逆变单元相连。

8.根据权利要求1所述的硬脆材料多线切方机用双电机力矩同步控制系统，其特征在于，所述运动控制器集成第三方工具和路由器功能，通过运动控制器能够直接调试连接在运动控制器上的伺服驱动器的参数。