一种基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法与流程

1.本发明涉及机电设备控制技术领域，具体地说是一种基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法。


背景技术：

2.当前，在激光切割、自动化流水线以及能应用到转台旋转定位的设备中，为了考虑设备的制造成本，通常电气自动化控制系统使用plc+pto高速脉冲输出方式来控制伺服的旋转定位。设备增加外部零点开关，设备上电后未使用状态下使用手动回零点，重新定位零点的方式来解决。
3.此控制方式属于开环控制，导致设备受现场电磁场、温度、噪音及机械加工精度等因素干扰，且由于plc边运算伺服驱动器的旋转运动数据、边控制伺服电机运动，会出现plc运算量大导致出错、伺服定位精度差、设备故障、无法正常运行等现象。且设备回零点的时间需要根据现场的实际情况来决定，这会使得回零点的过程占用较长生产时间，导致生产周期加长、生产效率低、维护频率高的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种闭环形式的基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
6.一种基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法，其特征在于：该控制方法用于旋转工作台系统的运动控制和精确定位，旋转工作台系统包括转台、伺服电机、plc控制器、伺服驱动器、及设置在伺服电机上的伺服电机电源和绝对值编码器，其中，plc控制器与伺服驱动器通过工业以太网实现自动化通信连接，伺服驱动器分别通过电缆与伺服电机电源和绝对值编码器相连，伺服电机用于驱动转台；该控制方法的步骤为：
7.s1、plc控制器输出指令：plc控制器向伺服驱动器输出控制转台运行的控制报文；
8.s2、指令传输：伺服驱动器根据控制报文生成相应的控制电信号传输给伺服电机电源，伺服电机电源再加载到伺服电机上、并驱动伺服电机带动转台按照控制报文的指令运行；
9.s3、数据采集：当转台执行控制报文的指令时，绝对值编码器从直接控制转台运行的伺服电机上采集转台的实时运行数据反馈给伺服驱动器；
10.s4、生成报文：伺服驱动器接收到转台的实时运行数据后，根据该实时运行数据生成伺服报文；
11.s5、传递报文：伺服驱动器将伺服报文作为plc控制器的反馈报文反馈给plc控制器；
12.s6、报文比对：plc控制器将步骤s5的反馈报文与步骤s1中的控制报文进行比对，比对结果一致则进入步骤s7、不一致则进入步骤s8；
13.s7、闭环控制周期循环：plc控制器确认转台已正确执行plc控制器在步骤s1中输出的控制报文的指令，完成一个闭环控制周期；然后plc控制器基于步骤s5的反馈报文生成下一个闭环控制周期的控制报文，循环执行步骤s1-步骤s6；
14.s8、报警处理：针对报警原因排除相关障碍后重新启动，plc控制器重新对转台的运行实施控制，此时plc控制器会输出控制指令将转台恢复到零点位置，然后执行步骤s1-步骤s6。
15.所述伺服电机的输出端与转台上的减速机输入端连接，伺服电机通过减速机带动转台旋转，转台上设置的工作装置用于工件的固定和/或加工。
16.所述的伺服电机电源通过电缆与伺服电机连接，用于给伺服电机供电并加载控制信号。
17.所述的plc控制器能够向伺服驱动器输出控制报文、接收伺服驱动器输入的反馈报文且能够对同一闭环控制周期内的控制报文和反馈报文进行比对，且plc控制器能够基于上一闭环控制周期的反馈报文生成下一个闭环控制周期的控制报文。
18.所述的绝对值编码器安装在伺服电机上，且绝对值编码器能够从伺服电机上采集转台的实时运行数据并反馈给伺服驱动器。
19.所述步骤s3中的实时运行数据包括转台的位置、旋转角度和旋转速度。
20.所述步骤s6中的plc控制器未在设定时间内收到反馈转台实时运行数据的伺服报文，亦进入步骤s8。
21.所述步骤s8中的报警原因包括定位出错、定位超时、限位报警。
22.在上述旋转工作台系统中，绝对值编码器和电机转子是伺服电机的一部分，伺服电机选型时主要根据驱动转台所需的扭矩来选择，选型主要依据供应商提供的选型对照表。本发明的伺服电机选型是按照扭矩9.5nm选型，伺服电机选型后再选择与之匹配的伺服驱动器，选择依据是伺服电机和伺服驱动器的输出功率要一致。根据实际需求，本专利选择输出功率为2kw的伺服电机和伺服驱动器。其中伺服电机选用西门子，型号为：1fl6067
ꢀ‑
1ac61-2lb1；伺服驱动器是与伺服电机匹配的(sinamics v90 profinet(pn)版本，插网线，报文交互)，型号为：6sl3210-5fe12-0uf0。
23.伺服电机的技术参数在出厂时都有一个出厂设定值，当伺服电机应用到本发明的旋转工作台系统时，有部分参数需要重新设定，用以提高伺服电机运行的稳定性，稳定性主要是指的电机在加速或减速过程中速度变化的稳定性，应尽量避免速度大幅波动导致的电机抖动。
24.本发明的伺服电机的参数具体优化方法为：
25.步骤一，首先对伺服电机的总惯量与电机惯量的出厂参数值按照
±
0.05～
±
0.1的变化等值调整，直至获得最优的优化参数值1.3(n.a)；
26.步骤二，首先对伺服电机的位置环增益的出厂参数值按照
±
0.01～
±
0.05的变化等值调整，直至获得最优的优化参数值2.0(1000/min)；
27.步骤三，首先对伺服电机的速度前馈系数(进给前馈)的出厂参数值按照
±
0.01～
±
0.05的变化等值调整，发现出厂参数值为优参数值；
28.步骤四，首先对伺服电机的速度环增益的出厂参数值按照
±
0.02～
±
0.1的变化等值调整，直至获得最优的优化参数值1.0(nms/rad)；
29.步骤五，首先对伺服电机的速度环积分时间的出厂参数值按照
±
0.1～
±
0.5的变化等值调整，直至获得最优的优化参数值10(ms)；
30.步骤六，首先对伺服电机的lr位置设定值滤波时的出厂参数值按照
±
0.01～
±
0.02的变化等值调整，发现出厂参数值为优参数值；
31.步骤七，首先对伺服电机的epos最大加速度的出厂参数值按照
±
0.5～
±
5的变化等值调整，发现出厂参数值为优参数值；
32.步骤八，首先对伺服电机的epos最大减速度的出厂参数值按照
±
0.5～
±
5的变化等值调整，发现出厂参数值为优参数值。
33.即本技术提供的伺服电机的总惯量与电机惯量优化为1.3(n.a)、位置环增益优化为2.0(1000/min)、速度环增益优化为1.0(nms/rad)、速度环积分时间优化为10(ms)，通过上述参数优化，能够将转台调节到运行平稳且流畅的状态；从而使本发明提供的旋转工作台系统，在满足客户要求的工作节拍的情况下，运行更加平稳。
34.下面提供本发明的伺服电机的优化后的参数表供参考。
35.1fl6067
ꢀ‑
1ac61-2lb1伺服电机的优化参数表
36.组参数号参数名出厂参数值优化参数值单位应用p29022优化：总惯量与电机惯量1.00001.3n.a应用p29110位置环增益1.80002.01000/min应用p29111速度前馈系数(进给前馈)0.00000.0000％应用p29120速度环增益0.30001.0nms/rad应用p29121速度环积分时间15.000010mseposp2533lr位置设定值滤波时0.00000.0000mseposp2533epos最大加速度1001001000lu/s2eposp2533epos最大减速度1001001000lu/s2
37.其中参数号p29022：调节电机出力大小，数值越大电机出力越大，随着出力增大，电机稳定性会降低，选择合适的参数可提高稳定性。在本发明应用的旋转工作台系统中，该参数值由出厂参数值1.0(n.a)优化设置为1.3(n.a)时，可以适当提高电机出力的同时保证电机稳定性。
38.参数号p29110：设定位置环调节器的比例增益；设置值越大，增益越高，刚度越大，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调；参数数值会受伺服系统型号和负载情况影响，不同的应用场景需通过实际调试获得最佳参数。在本发明应用的旋转工作台系统中，该参数值由出厂参数值1.8(1000/min)优化设置为2.0(1000/min)时效果最佳。
39.参数号p29120：设定速度调节器的比例增益；设置值越大，增益越高，刚度越大。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大；在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较大的值。在本发明应用的旋转工作台系统中，该参数值由出厂参数值0.3(nms/rad)优化后的最大值为1.0(nms/rad)。
40.参数号p29121：设定速度调节器的积分时间常数；设置值越小，积分速度越快。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大；在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较小的值。在本发明应用的旋转工作台系统
中，该参数值由出厂参数值15(ms)优化后的最小值为10(ms)。
41.本发明选用的plc控制器的接口类型需要支持profinet通讯协议，型号为：simatic s7-1200，cpu 1214fc。
42.本发明选用的转台的负载为：200kg
±
30kg；转台的匀速旋转速度40
°
/s；转台的加速时间/减速时间均为1s(加速时间表示转台由速度为0的静止状态加速到匀速运行速度40
°
/s的时间，反之即为减速时间)，加速时间/减速时间越短，系统运行效率越高，但是电机稳定性会降低，参数调试时要平衡运行效率和电机稳定性。
43.本发明相比现有技术有如下优点：
44.本发明的控制方法通过伺服驱动器来采集和处理执行机构的运行数据，并将数据生成报文与plc控制器进行信息交互，plc控制器只需对伺服驱动器的报文io进行一致性数据读写，即可获取执行机构的实时运行数据，通过该方式使得执行机构的运动及位置信息在伺服驱动器一侧即可处理，不需要plc控制器参与运算，因此能有效降低plc控制器运算压力，加快执行机构的响应速度，提高系统效率。
45.本发明的控制方法由于执行机构运行情况的相关运算主要在伺服驱动器侧，使得plc控制器与执行机构形成了一个闭环控制，可不用考虑plc控制器与伺服驱动器之间的磁场干扰及回零开关所产生的误差，将转台的重复定位精度限定在
±
0.03mm，进一步提高运行控制精度。
附图说明
46.附图1为本发明的基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法的控制流程图；
47.附图2为应用本发明的基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法的旋转工作台系统的结构原理图。
48.其中：1—转台；2—伺服电机；3—伺服电机电源；4—plc控制器；5—伺服驱动器；6—绝对值编码器。
具体实施方式
49.下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
50.如图1所示：一种采用基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法，该控制方法的步骤为：
51.s1、plc控制器输出指令：plc控制器4向伺服驱动器5输出控制转台1运行的控制报文；
52.s2、指令传输：伺服驱动器5根据控制报文生成相应的控制电信号传输给伺服电机电源3，伺服电机电源3再加载到伺服电机2上、并驱动伺服电机2带动转台1按照控制报文的指令运行；
53.s3、数据采集：当转台1执行控制报文的指令时，绝对值编码器6从直接控制转台1运行的伺服电机2上采集转台1的实时运行数据反馈给伺服驱动器5；
54.s4、生成报文：伺服驱动器5接收到转台1的实时运行数据后，根据该实时运行数据生成伺服报文；
55.s5、传递报文：伺服驱动器5将伺服报文作为plc控制器4的反馈报文反馈给plc控
制器4；
56.s6、报文比对：plc控制器4将步骤s5的反馈报文与步骤s1中的控制报文进行比对，比对结果一致则进入步骤s7、不一致则进入步骤s8；
57.s7、闭环控制周期循环：plc控制器4确认转台1已正确执行plc控制器4在步骤s1中输出的控制报文的指令，完成一个闭环控制周期；然后plc控制器4基于步骤s5的反馈报文生成下一个闭环控制周期的控制报文，循环执行步骤s1-步骤s6；
58.s8、报警处理：针对报警原因排除相关障碍后重新启动，plc控制器4重新对转台1的运行实施控制，此时plc控制器4会输出控制指令将转台1恢复到零点位置，然后执行步骤s1-步骤s6。
59.如图2所示：一种采用基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法的旋转工作台系统，该基于伺服报文读写的转台旋转运动控制方法用于旋转工作台系统的运动控制和精确定位，旋转工作台系统包括转台1、伺服电机2、plc控制器4、伺服驱动器5、以及伺服电机2上的伺服电机电源3和绝对值编码器6，转台1与减速机(未示出)同轴连接；伺服电机2的输出端与减速机的输入端连接，伺服电机2通过减速机带动转台1旋转，转台1上设置有用于工件固定和/或加工的工作装置；伺服电机电源3通过电缆与伺服电机2连接，用于给伺服电机2供电并加载控制信号；plc控制器4为控制中心，用于对转台1发出控制报文，并接收转台1对控制报文的指令执行情况的反馈信息，然后根据反馈信息再发出下一周期的控制报文，如此往复执行，从而实现对转台1的运行控制；plc控制器4与伺服驱动器5通过工业以太网实现自动化通信连接，用于将plc控制器4的控制报文传输给伺服驱动器5；伺服驱动器5的输出端与伺服电机电源3通过电缆连接，伺服驱动器5接收到来自plc控制器4的控制报文后，将该控制报文转换为控制电信号传输给伺服电机电源3，进而通过伺服电机电源3控制伺服电机2的启停和运行，再进一步通过伺服电机2实现对转台1的运行控制；绝对值编码器6通过伺服电机2采集转台1的位置、旋转角度和旋转速度作为转台1的实时运行数据，绝对值编码器6的输出端与伺服驱动器5通过信号电缆连接，绝对值编码器6将转台1的实时运行数据传输给伺服驱动器5，伺服驱动器5根据转台1的实时运行数据生成相应的伺服报文；伺服驱动器5通过伺服报文将转台1的实时运行数据反馈给plc控制器4，该伺服报文即为plc控制器4的反馈报文；plc控制器4根据反馈报文反馈的转台1的运行情况，提示报警或生成下一周期的控制报文发送给伺服驱动器5，由此plc控制器4和伺服驱动器5之间通过反馈报文和控制报文实现闭环的信息交互。
60.实施例一
61.1、plc控制器输出指令：plc控制器4向伺服驱动器5输出转台1运行的“第一控制报文”；
62.2、传输指令：伺服驱动器5根据“第一控制报文”生成相应的电信号传输给伺服电机电源3，伺服电机电源3再加载到伺服电机2上，驱动伺服电机2带动转台1按照“第一控制报文”的指令运行；
63.3、数据采集：当转台1执行“第一控制报文”的指令，绝对值编码器6从直接控制转台1运行的伺服电机2上实时采集“第一运行数据”，转台1的“第一运行数据”包括转台1旋转时的起始位置、停止位置、旋转角度和旋转速度，绝对值编码器6将采集到的“第一运行数据”反馈给伺服驱动器5；
64.4、生成报文：伺服驱动器5接收到转台1的“第一运行数据”后，根据该“第一运行数据”生成“第一伺服报文”；
65.5、传递报文：伺服驱动器5将“第一伺服报文”作为“第一反馈报文”反馈给plc控制器4；
66.6、处理报文：plc控制器4接收到“第一反馈报文”后，将“第一反馈报文”与“第一控制报文”比对，比对结果可能是如下两种之一：
67.6.1、比对结果1：plc控制器4比对“第一反馈报文”与“第一控制报文”，确认两者一致，即确认转台1已正确执行plc控制器4在步骤1中输出的“第一控制报文”，至此“第一控制报文”闭环运行结束，然后plc控制器4发出基于“第一反馈报文”生成的“第二控制报文”，驱动转台1执行下一步运行程序，循环执行步骤1-6。
68.6.2、比对结果2：plc控制器4比对“第一反馈报文”与“第一控制报文”，发现两者不一致，即确认转台1未正确执行plc控制器4在步骤1中输出的“第一控制报文”，此时plc控制器4会输出报警信息，比如plc控制器4输出控制指令：“转台1从0
°
位置旋转到180
°
位置”，结果转台1在实际运行中还没有到达180
°
位置就停止，则系统会弹出“定位出错”的报警提示。
69.7、异常情况：plc控制器4输出“第一控制报文”后，没有在设定时间内收到反馈转台运行数据的“第一反馈报文”，比如plc控制器4输出控制指令：“转台1从0
°
位置旋转到180
°
位置，执行时间5秒”；plc控制器4发出指令后，未在指令设定时间5秒结束时收到反馈转台1执行情况的“第一反馈报文”，则系统会弹出“定位超时”的报警提示；
70.8、报警处理：出现报警提示后，由工作人员排查报警原因，针对报警原因排除相关障碍后解除报警，工作人员按下“启动”按钮，使plc控制器4重新对转台1运行实施控制，此时plc控制器4会输出控制报文将转台1恢复到零点位置，然后循环执行步骤1至步骤6继续工作。
71.进一步的说，报警的原因还包括限位报警，即转台1的旋转超出设定值即报警。比如：设定转台1旋转的范围，即限位为-3
°
～183
°
，当绝对值编码器6反馈转台1旋转的实际数据小于-3
°
或者大于183
°
，此时plc控制器4触发报警；报警解除方法：到达限位后，转台1停止运行，此时人工手动按反方向运动按钮，转台1旋转至限位范围内即可。
72.本发明的控制方法通过伺服驱动器5来采集和处理执行机构(转台1)的运行数据，并将数据生成报文与plc控制器4进行信息交互，plc控制器4只需对伺服驱动器5的报文io进行一致性数据读写，即可获取执行机构的实时运行数据，通过该方式使得执行机构的运动及位置信息在伺服驱动器5一侧即可处理，不需要plc控制器4参与运算，因此能有效降低plc控制器4的运算压力，加快执行机构的响应速度，提高系统效率和运行精度。
73.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。