在印刷機械行業中，多電機的同步控制是乙個非常重要的問題。由於印刷產品的特殊工藝要求，尤其是對於多色印刷，為了保證印刷套印精度(一般≤0.05mm)，要求各個電機位置轉差率很高(一般≤0.02%)。在傳統的印刷機械中，以往大都採用以機械長軸作為動力源的同步控制方案，但機械長軸同步控制方案易出現振盪現象，各個機組互相干擾，而且系統中有許多機械零件，不方便系統維護和使用。隨著機電一體化技術的發展，現場匯流排技術不斷應用到各個領域並得到了廣泛的應用。本文針對機組式印刷機械的同步需求，提出了一種基於can現場匯流排的同步控制解決方案，並得以驗證。
無軸傳動印刷機控制系統的同步需求
機組式捲筒印刷機一般由給紙機組、印刷機組、張力機組、加工機組和複捲機組等機組組成。在傳統的有軸傳動印刷機中，動力源由非同步電機通過皮帶輪帶動一根機械長軸(約10-20m)，然後通過長軸帶動各機組的齒輪、凸輪、連桿等傳動元件，再通過傳動元件帶動裝置的執行元件完成裝置的輸人、輸出任務。
捲筒印刷機要求印刷速度為300m/min，套印精度≤0.03mm，為了滿足套印精度，要求在各個機組定位精度≤0.03mm。在印刷機印刷過程中，要求各機組軸與機械長軸保持一定的同步運動關係，能否很好的實現各個機組軸的同步關係，將直接影響到印刷速度、套印精度等。其中，給紙機組、印刷機組要求與主軸轉動速度成一定的比例關係，張力機組根據不同的印刷速度調整張力係數，加工機組需要與主軸保持凸輪運動關係，而複捲機組的運動規律，要求隨著紙捲直徑的增大而減小。
我們把機械長軸作為主軸(參考軸)，各印刷機組軸為從動軸，如圖1，各從動軸與主軸要滿足同步關係θ1=f1(θ) ，θ2=f2(θ) ，θ3=f3(θ) ··· ，其中，θ為主軸位置轉角，θ1、θ2、θ3···為從動軸位置轉角。
圖 1 主從軸同步關係
控制系統設計
考慮到印刷機中同步運動關係複雜，套印精度高、印刷機組點多、分散，多操作子站，印刷生產線長等特點，採用全分散、全數字、全開放的現場匯流排控制系統fcs，匯流排的選擇選用can匯流排。
為了實現各個印刷機組的複雜同步關係，將主控制器和各個電機的伺服驅動器都掛接到can匯流排上，構成以印刷機控制器為核心的can現場匯流排系統，如圖2。
控制器和伺服驅動器都配有can匯流排控制器sja1000和收發器pca82c250的通訊適配卡，通過連線在印刷機控制器上的can通訊適配卡，控制器可以方便、快速的與各伺服驅動器通訊，向各個伺服單元傳送控制指令和位置給定指令，並實時獲得各個伺服電機的狀態資訊，按照需要實時地對伺服引數進行修改，各個伺服單元也可以通過can匯流排及時的進行資料交換。各個伺服驅動器在獲得自己的位置參考指令後，緊密的跟隨位置指令。由於控制器的位置指令直接輸入到各個伺服驅動器，因此每個伺服驅動器都獲得同步運動控制指令，不受其他因素影響，即任一伺服單元都不受其他伺服單元的擾動影響。在這個系統中，控制器和各個伺服驅動器都作為乙個網路節點，形成can控制網路。同時，由於採用現場匯流排控制系統，可以根據印刷規模，擴充套件網路節點個數。
圖2 同步控制系統圖
編碼器和伺服電機的選擇
在大慣量負載印刷系統中，編碼器和伺服系統的選擇尤為重要。以bf4250捲筒紙印刷機為例，其負載轉動慣量很大，其中柔印機組為0.13 kg·m2，膠印機組轉動慣量最大，為0.33 kg·m2。
由於系統定位精度要求≤0.03mm，考慮到負載的大慣量性，把控制週期定為2ms，要求位置環穩態誤差為±1個脈衝。根據定位精度和穩態誤差，可以折算出編碼器線數為17000線，可是考慮到在實際印刷過程中，要不斷調整不同機組的位置，如果編碼器解析度選17000線，在調整印輥時，由於機組轉動慣量很大，將會產生很大的角加速度，進而產生很大的轉矩。例如對於膠印機組，調整角加速度超過700 rad/s2，調整轉矩超過200n·m，一般的電機無法滿足要求。
綜合考慮，選擇編碼器解析度為40000線，這樣在調整過程中，減小了電機的調整加速度，進而減小了調整轉矩。例如在負載慣量最大的膠印機組中，調整角加速度為78.6rad/s2，調整轉矩為26 n·m，凱奇電氣公司的90m系列伺服電機完全可以滿足要求。
時鐘同步機制
在分布式無軸傳動同步控制系統中，需要各個印刷機組之間統一協調地工作，所以各個機組必須要有統一的時間系統，以保證各個印刷機組協調工作，完成印刷任務。
具體的時鐘同步實現方法分為硬體時鐘同步，同步報文授時同步和協議授時同步。
(1)硬體時鐘同步。硬體時鐘同步是指利用一定的硬體設施(如gps接收機、utc接收機、專用的時鐘訊號線路等)進行的區域性時鐘之間的同步，操作物件是計算機的硬體時鐘。硬體同步可以獲得很高的同步精度(通常為10-9 秒至10-6秒)。
(2)同步報文授時同步。在每個通訊週期開始，主站以廣播形式傳送一次同步報文。例如在sercos協議資料傳輸層中，每個sercos的通訊週期開始都以主戰傳送的同步報文mst為標誌。mst的資料域非常短，只佔1個位元組。mst報文的同步精度很高，如果用光纜做傳輸介質，同步精度可在4微妙之內。
(3)協議授時同步。協議授時也叫軟體授時，指利用網路將主時鐘源，通過網路，發給其他的子系統，以達到整個系統的時間同步性。通過計算從發出主時鐘資訊到傳送到目標節點接受該資訊並產生中斷之間的時間差，可以得出延遲時間。然後通過延時補償來達到時間同步。軟體授時成本低，可由於同步資訊在網路上傳輸的延遲大且有很大的不確定性，所以授時精度低(通常為10-6秒到10-3秒)。
綜合考慮，本文的時鐘同步方案採用的是硬體時鐘同步，各節點根據系統中指定的主時鐘來調整它們的時鐘，具體實現方法是：新增硬體時鐘同步訊號線conclk用來傳輸時間同步訊號，同步控制訊號週期為2ms，以同步訊號的上公升沿作為同步點。在控制器中設定同步訊號發生器，並在各個驅動器內部設定同步接受單元。驅動器從站的同步接受單元檢測到主戰的conclk上公升沿后，各從站時鐘同時清零。這樣定期清零不僅保持了各從站時鐘的一致性，同時也避免了同步誤差的累計。為了提高模組同步訊號的抗干擾能力，採用平衡差分驅動方式傳輸同步訊號。使用光耦隔離，可以使主站和從站的訊號互不干擾。主、從站同步訊號電路如圖3。
圖3 主站、從站同步訊號電路圖
上位機同步運動資料的產生
同步運動資料的產生任務放在到北京首科凱奇電氣技術****開發的軟plc -comacplc系統中。該公司的軟plc系統，硬體系統採用的是工業計算機平台,作業系統採用的是微軟推出的wince嵌入式作業系統。在此軟plc系統中，建立了快邏輯任務和慢邏輯任務，快邏輯用於對時間要求高的場合,如緊急情況處理,高精度取樣等情況，慢邏輯任務主要用於一般對時間要求不高的場合。快邏輯任務是乙個需要定時執行的任務(類似於中斷服務程式)，該任務必須在乙個系統取樣週期內執行完成，慢邏輯任務是乙個無限迴圈，它可以在幾個系統取樣週期內完成[2]。快邏輯任務通過定時控制器8254來完成定時，定時週期為1毫秒。在執行過程中每一次取樣週期都執行一次快邏輯任務，產生成同步運動資料。為了保持各個從動軸相對於主軸的同步關係，建立運動參考資料來源來虛擬主軸運動狀態。在每個系統取樣週期中，根據虛擬主軸的運動狀態，以及各個從動軸的同步運動要求，分別計算各個從動軸的位置資訊，產生各個從動軸的同步運動資料，放入can控制器的傳送佇列等待傳送，如圖4。把運動資料產生和運算任務放在快邏輯任務中，保證產生運動資料的實時性。
圖4 同步運動資料的產生
同步接**術協議
本系統匯流排波特率設為1mbps，位傳輸時間τbit為1×10-6秒。每個資料幀由8個位元組組成，傳送報文資料幀長度固定為131位(29位識別符號)，反饋報文長度為99位。資料幀傳送時間cm=131μs。把同步控制訊號線conclk，作為同步週期訊號線和報文的基準訊號線。同步控制訊號週期為2ms，高電平有效，訊號電平寬度為10。正常通訊時，乙個控制週期內can網路可以傳送16個同步資料報文。控制器在conclk 上跳沿之後50μs內發出指令報文，驅動器在接受到指令報文後100微秒內發出反饋報文。指令報文內容包括位置指令值、邏輯介面訊號輸入，其中位置指令占用4個位元組(32位)，邏輯介面訊號輸入占用乙個位元組。邏輯介面訊號輸入包括驅動器使能、復位等指令。在反饋報文中，包括伺服執行狀態資訊和故障資訊，通訊時序如圖5。
圖5 通訊時序圖
結束語
本文針對傳統的機械長軸印刷機同步控制系統，提出了以控制器為核心的現場匯流排控制系統，以can現場匯流排實現在控制器和伺服之間的通訊。此方案不僅克服了傳統機械長軸控制方案的各種機械元件帶來的缺點，而且還具有同步效能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護方便等優點。
這種方法實現同步的特點在於利用了can匯流排可靠性高、傳輸時間短、抗干擾能力強，和數字伺服的位置精度高、全閉環的優點。
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匯流排的非同步通訊方式
非同步通訊克服了同步銅鬚的缺點，允許各模組的速度不一致，給設計者充分的靈活性和選擇餘地。它沒有公共的時鐘標準，不要求所有部件嚴格的統一操作時間，而是採用應答方式 又稱握手方式 即當主模組發出請求訊號時，一直等待從模組反饋回來 響應 訊號後，才開始通訊。這要求主從模組之間增加兩條應答新。非同步通訊又稱...
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