1 引言
近幾年來隨著伺服控制技術的飛速發展，它已廣泛用于控制交流電機轉速、位置等。現場總線技術伴隨著計算機技術、網絡通信技術及微電子技術的發展而飛速發展，推動整個自動化控制向更高層次發展。本文所介紹的系統充分發揮伺服控制器和現場總線技術的特點，準確、靈活地控制高速硬幣壓印機的沖壓和撥餅，滿足了多種工藝要求。
以前硬幣壓印機的主軸與撥餅軸之間的傳動連接采用同步帶聯結,如圖1所示，即主軸與撥餅軸之間的傳動比為固定的1:1, 撥餅軸的速度變化隨主軸速度而變，主軸與撥餅軸的位置角度一一對應，其最大特點是簡單和可靠，實現了兩軸的1:1同步，但系統不具備柔性。為了滿足特殊生產工藝要求，如對某些產品（大規格紀念幣、小規格紀念幣）就必須靠進行多次壓印功能來達到工藝的技術要求，也就是經過多次壓印后，撥餅一次，需要改變主軸與撥餅軸之間的傳動比為n:1，修改系統的機械傳動結構非常困難，所以需要用高速運動伺服控制器，控制撥餅運動，如圖2所示。
圖1 同步帶聯結 圖2 伺服控制器控制
如果兩軸的1:1同步，那么也就是撥餅速度等于主軸速度;如果兩軸的n:1(n=2，3，4…)間歇同步, 那么也就是撥餅速度等于主軸速度的1/n。根據系統要求選用西門子公司masterdrives mc運動控制驅動器。因為masterdrives mc運動伺服控制驅動器適合控制循環周期短而且高精度、高動態響應的控制系統。這種驅動器是智能控制系統的一部分，它能夠實現機動、靈活和高效的驅動控制，其性能遠遠超過同類系統。
2 控制內容和控制要求
本文以高速硬幣壓印機為控制對象，硬幣壓印速度必須要達到700枚/min，主要工藝過程是:送餅機構把光餅送到撥餅機構，撥餅機構把光餅準確撥給主傳動機構，在主傳動壓印，加工成成品。其主要特點是:速度快(每完成一枚只需85ms);各機構之間的傳動要配合默契，特別強調主傳動與撥餅機構要配合非常準確，撥餅的時間只有40ms左右，所以撥餅驅動采用siemens公司mc伺服數控系統，mc伺服數控系統是siemens公司最新高速運動控制系統，是無軸驅動系統(無軸驅動系統就是同步信號從主傳動上取出，即在主傳動曲軸上安裝高分辨率的光電編碼器,當主機運轉時，編碼器的脈沖信號輸送給撥餅伺服控制器控制，伺服控制器準確控制撥餅動作，從而達到隨撥餅主機同步運轉的要求)。
siemens公司mc運動伺服控制系統主要特點為:高動態響應，masterdrives mc驅動器使用了32位數字控制技術;高過載因數能處理高難度的應用問題:mc運動控制驅動器有極高的過載因數:250ms內300%的過載能力;集成式安全保護裝置保障了所有功能的安全應用:具有的“安全停止”功能軟件:靈活運用bico技術，它們可被應用于所有必要的開環和閉環控制。
根據工藝要求，主傳動機構和撥餅機構既要滿足1:1同步要求(壓印一枚，撥一枚)，又要滿足n:1間歇同步要求(壓印一枚n次后，再撥一枚)。
3 系統的整體構成和方案設計
3.1 電氣主控系統
電氣主控系統將采用德國siemens公司的s7-300系列可編程序控制器, 中央處理單元為西門子cpu315-2dp，該系統可靠性高，速度快。cpu 315-2dp具有一個profibus dp接口和一個組合的dp/mpi接口，通過cpu315-2dp的profibus dp接口，連接符合profibus總線的設備，使得cpu可以輕松的訪問底層的profibus網絡上的設備。圖3為系統的整體構成圖。注意在配置網絡終端電阻時，網絡的首端、尾端電阻為on，中間全部為off。
圖3 系統的整體構成圖
3.2 現場總線通信協議
profibus dp現場總線通信協議格式。可編程序控制器plc要和驅動器順利通過profibus通信，兩者必須共同遵守profibus通信格式。西門子profibus通信協議格式如附表所示，附表通信報文幀發送/請求格式。sd:開始定界符,le:網絡數據長度，ler:數據重復長度，da:目的地址, sa:起源地址,fc:功能碼，dap:目的服務存取點，sap:源服務存取點，du:數據單元，fcs:幀檢查序列，ed:結束定界符。變頻器現場總線控制系統中，profibus dp的通訊協議的信息幀分為協議頭、用戶數據和協議尾，有的用戶數據帶有參數區域和過程數據區域，而有的用戶數據僅由過程數據組成。profibus通信控制變頻傳動定義了五種ppo類型，即參數值pkw和過程數據pzd的字長不同。參數值pkw是變頻器運行要定義的一些功能碼，如最大頻率、加／減速時間等。過程數據pzd用來傳輸控制字的一些功能碼，如變頻器設定值、狀態字、變頻器實際值。
附表 通信報文幀發送/請求格式
3.3 硬件組態
用siemens公司的step7軟件對系統進行硬件組態。使用step7組態軟件，進入硬件配置hw config，完成s7-300plc硬件組態，選定plc為主站系統(master system)，在hardware catalog中找到masterdrives把它連接到以cpu315-2dp為主站的dp網上，并選定使用的ppo類型，設定站點網絡地址。由于與主傳動、撥餅電機通訊數據量大，需要監控主機電流、主軸角度。特別是撥餅伺服系統尋參功能，為了使系統達到同步運行，機床的零點與電氣控制系統的零點必須重合，零點是非常重要的參考點，撥餅伺服系統mdi功能，當機床發生故障，產生角度誤差時，需要執行mdi功能，走mdi功能，再一次可靠實現撥餅伺服系統的角度與主軸角度重合，消除誤差，保證了控制系統運行的可靠性、準確性。所以采用ppo5的通訊方式，如圖4示, pkw為4個字, pzw為10個字，通訊速率為1.5mbps。
圖4 ppo5的通訊方式
3.4 軟件編程
利用西門子step7軟件對系統的軟件編程。建立2數據塊:db3、db4分別對應主傳動變頻器、撥餅伺服控制器。db3、db4中設置相關參數。slave_3. dpaddr為profibus dp從站地址，slave_3. daddr為profibus dp從站診斷地址，slave_3. slot_4.laddr為profibus dp從站i/o基本槽地址，slave_3.slot_4. slot_id為profibus dp從站i/o基本槽號，slave_3.slot_4.pcd_addr為profibus dp從站過程數據地址, slave_3.slot_4.length為profibus dp從站數據字長, slave_3.slot_4.consist為profibus dp從站數據是否一致性的判斷。
4 系統調試中的難點解決
利用西門子公司的drive monitor軟件進行調試及監控。drive monitor軟件是基于bbbbbbs平臺的調試、診斷軟件，驅動器的所有參數都具有表格化、圖形化提示，可以更新處理，及打印參數設置， 也可以處理過程數據，及進行診斷操作，也可以實現離線或在線操作，這些也可以在通訊條件下進行。
硬幣壓印速度必須要達到700枚/min，即每完成一枚只需85ms(動作過程為:撥餅→到位，沖壓(此時停止撥餅)→撥餅，各機構之間的傳動要配合默契，特別強調主傳動與撥餅機構要配合非常準確，撥餅的時間只有40ms左右。撥餅負載變化非常大，在撥餅起始瞬間阻力特別大，當撥動餅后阻力馬上變小，在40ms時間撥餅盤要到位，否則沖頭要把撥餅盤打碎。利用drive monitor軟件監控撥餅機構負載變化曲線為1:1，負載變化曲線如圖5所示，n:1負載變化曲線如圖6所示。
圖5 1:1負載變化曲線
圖6 n:1負載變化曲線
(1) 根據上述曲線，選用西門子伺服電機1ft6084-8ac71-4ta0，額定轉矩為mn=16.9n·m，額定轉速nn=2000r/min，最高轉速nmax=3200r/min，采用減速比為1:3，以滿足主機最高速度700枚/min的要求以及 力矩要求。
(2) 利用drive monitor軟件對矢量變頻器及mc運動伺服控制器進行參數整定。先采用靜態整定的方法，自動測定主電機，為的是確定轉子和定子阻抗的實際值，自動進行優化計算;再用先動態整定的方法，激活轉矩控制，這是由加速轉矩的計算，根據轉速給定變化調整轉矩控制，并考慮轉動慣量變化，動態整定主要功能的參數，設定速度控制電路的動態響應的功能參數作用，并進行系統的優化控制。
(3) 在調試時, 隨主機速度的提高, 撥餅盤經常被沖頭打碎。經分析認為，主機速度的提高，需要撥餅盤響應速度提高，快速準確定位，所以需要調整位置環的增益參數。位置環的作用是產生電機的速度指令并使電機準確定位和跟蹤。通過設定的目標位置與電機的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調節器來產生電機的速度指令，當電機初始起動后(大偏差區域)，應產生最大速度指令，使電機加速并以最大速度恒速運行，在小偏差區域，產生逐次遞減的速度指令，使電機減速運行直至最終定位。本文為了準確控制撥餅盤，對主機速度進行分段控制，速度每提高20r/min為一個區間，動態修改位置環的增益參數，以滿足不同主機速度要求。
5 結束語
盡管高速運動伺服系統已廣泛應用，但是要注意以下幾個問題:
(1) 先要了解系統轉矩情況，也就是系統正常工作對伺服電機力矩的要求。
(2) 對負載變化大的系統。考慮采用通過增加減速箱的方法，提高系統力矩，在提高力矩的時候也要考慮系統響應時間等問題，特別對高速運動的控制。
(3) 對有速度變化的負載進行位置控制的系統。需要動態調整位置環的增益參數，以滿足不同速度要求。
此系統經實踐證明對位置的控制非常準確和可靠。充分說明了在高速系統中用運動伺服系統準確地控制位置，對控制同類設備有借鑒意義。
參考文獻
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[5] masterdrives mc function diagram "f01 technology option"(bbbbbbbbing and synchronization)[z]. siemens公司.
[6] masterdrives mc "free blocks" function diagram status [z]. siemens公司.
作者簡介
李田科 男 1994年中國紡織大學自動控制系畢業，1999年獲中國人民銀行工程師資格，現主要從事硬幣壓印機電氣設計及改造。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
