《DMC300A运动控制器在钨丝绕线机系统中的应用》

作者：姚利民 www.crtmotion.com
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摘要：利用科瑞特自动化DMC300A运动控制器对步进电机控制的高效加速、高速运行、高精准的直线插补功能，实现了高速绕线机的控制需求；利用DMC300A控制器的寄存器器指令、运算指令，实现了绕线机对不同规格产品灵活更改参数的需求；利用DMC300A控制器开放的显示指令，实现了设备运行时状态信息的显示需求。
关键词：DMC300A运动控制器 步进电机 绕线机 直线插补 科瑞特自动化；
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1. 引言
二十一世纪以来，各类科学技术得到了迅猛的发展；在我国国内，神五、神六已成功升空，但自动化设备的普及与技术更新却远远落后于时代的发展。在工业生产领域，半自动化、手工劳作等需要大量人工的现象仍普遍存在。在本人所在的珠三角地区为例，虽然属于国内工业化、自动化最发达的地区，但是几乎所有的工业区仍是以大量的手工操作工为主要生产力的工厂构成；在招工越来越难招、工人最低工资不断提高的现实情况下，通过对原有生产设备控制系统的技术升级，以提高设备的自动化水平、提高设备的生产效率、提高产品的合格率，已成为刻不容缓的企业生存的必然选择。
科瑞特自动化DMC系列运动控制器是专门针对涉及定长、定位、图形曲线加工的生产、测试等自动化设备研发设计的专业型高端通用运动控制器，功能强大、使用简单，可完全替代“PLC+文本显示”，并替代市场上已有的步进电机专用型非专业控制系统。
经对东莞某照明产品厂钨丝高速绕线设备的控制实践，无论生产效率、产品合格率、设备运行稳定型各方面均取得了良好的效果，相比原有设备性能有了质的飞越，现已批量使用，并极具推广价值。
2. DMC300A运动控制器简介
DMC300A控制器采用高性能“DSP+FPGA”主控，系统资源丰富、功能强大、使用简单：
l 32M存储空间：支持768个程序、768个参数组，每个参数组包括4096个参数，程序和参数组可任意对应，即理论上支持768×768个产品规格；
l 完全的三轴数控系统：支持任意两轴直线、圆弧插补，每轴带两个硬件限位点；
l IO接口充足：16个输入、8个输出，逻辑关系在程序中确定，功能可完全自定义；
l 高速高性能：支持每轴200KHz脉冲频率，标准的梯形加速曲线；
l 人机交互便捷：内嵌键盘模块、128×64点阵液晶显示，提供显示指令，用户可灵活控制显示；
l 高性能内核模块：系统提供一套完整的指令系统，支持用户进行便捷的二次编程，对于非标数控系统，完全优越于G代码编程；
l 编程方便：可在PC机编程下载用户程序，或在键盘上直接编程；
3. 原设备控制系统分析
该绕线机设备原配备了产自台湾的控制系统，主要针对照明产品的钨丝高速绕线。控制系统构成包括：专用数控控制器、交流电机、200线编码器、86系列步进电机及驱动器各一套；
控制原理：交流电机带动绕线旋转，并将旋转传动至200线编码器，编码器脉冲信号接入控制器，通过预先设置的参数，将编码器脉冲数字过滤接入步进电机驱动器，完成步进电机对排线的控制。
现实情况：该系统针对连续一致型钨丝绕线需求，虽然效率较低，但基本可以满足要求；但对当前越来越多的分段间隔绕线需求，绕线速率最大不超过500转/分，并且绕制产品不良率过高，合格率仅有87％左右，极大地增加了后续加工的压力，总体效率极低，致使该厂由于此问题，有定单也不敢接；提升设备性能迫在眉睫！
技术分析：由于原系统控制构架的天生缺陷，出现这种现象在所难免：问题主要出在排线电机（步进电机）速度太低；步进电机是一种刚性的执行机构，驱动电路一般采用开环控制，因此步进电机只能以较低速启动，并经加速逐步达到较高的运行速度，否之，步进电机将出现丢步的现象，进而失去控制；
原系统对排线步进电机的控制是通过被动地对接收到的编码器脉冲进行数字滤波，该编码脉冲在设备运行时由于绕线电机的匀速运转，脉冲频率固定；因此对于连续一致型绕线，虽然启动时绕制了不合格品，但由于交流电机亦由低速启动，对于排线电机来讲，自然得到了一个加速过程，虽加速不太理想，但毕竟能达到一个较高的速度，因此在此中情况下，系统勉强可行；但对分段间隔绕线，无论硬件或是软件都很难通过对一固定频率脉冲的数字滤波达到满足步进电机运行特性的脉冲信号，并且还要满足设定的间隔绕制参数。因此，要“质的提高”优化设备性能，必须优化系统控制框架。
4. 应用DMC300A的系统分析
对于绕线系统，尤其是间隔绕线需求，最优的方案就是利用两个步进电机进行直线插补，但这是以控制系统的高速高精度为前提的。
对于DMC300A系统，高速、高精度都不成问题。DMC300A系统在直线插补的情况下，可以控制步进电机在500毫秒左右的时间加速至3000转/分钟。
去掉交流电机和编码器，改为两轴步进系统，通过直线插补完成绕线过程。
对于连续一致型绕线，只需设置一段直线插补；对于分段间隔绕线，有多少则设几段直线插补；实际应用为一段紧密绕线（CAP，对绕制圈数、长度有要求），一段跳跃（GAP，要求绕制圈数越少越好，长度有要求）；利用DMC300A的高精准直线插补性能，实现均匀排线。
参数输入接口设置为：操作者设置绕线速度（转/分）、GAP速度（转/分）、CAP长度、CAP圈数、GAP长度、GAP圈数；
显示功能：运行中显示当前CAP长度、圈数，GAP长度、圈数；
启停控制：“Run”接地有效时运行程序，“IN0”接地有效时启动加工、“Stop”接地有效时停止加工过程；
报警检测：“IN1”对断线进行检测判断，如果发生断线，系统停止工作；
5. 电机控制功能的实现
实际系统中，将绕线轴定义为X轴，排线轴定义为Y轴；排线轴步进电机驱动器采用32细分，即控制器发6400个脉冲，电机旋转一周，排线30mm；绕线轴步进电机启动驱动器采用8细分，即控制器发1600个脉冲，电机旋转一周，即绕线一圈；
绕线速度的设定：仅需在直线插补运动指令插入速度指令即可；但是需要在程序中将速度设定值转换为脉冲频率设置值：（速度为S0010 单位：转/分钟）
MOVM M10, S10
MUL M10, 1600
DIV M10, 60
经过计算，M10中数值即为脉冲频率值；
同理，GAP速度的设定：
MOVM M10, S11
MUL M10, 1600
DIV M10, 60
经过计算，M10中数值即为脉冲频率值；
直线插补时，两个运动轴的运动距离由GAP/CAP段、两个电机总的运动圈数、根据驱动器细分数计算决定；（GAP 段：GAP圈数S0012，GAP长度 S0001 ）
MOVM M20, S12
MUL M20, 1600
MOVM M21, S1
MUL M21, 6400
DIV M21, 30
经过计算，指令“LINID 3, M20, M21”即可实现GAP段运动；
同理，CAP段： CAP圈数S0013，CAP长度 S0002 计算如下：
MOVM M22, S13
MUL M22, 1600
MOVM M23, S2