电子凸轮原理与应用
2010-01-28 18:15
机械凸轮
机械凸轮是一种角度感应和控制装置，通过在金属盘片上加工出一定形状的轮廓曲线，使其在某个位置可以有效的使与之接近的微动开关产生动作－导通或截止，如图所示。

凸轮盘可以组合使用，将多个凸轮串联可以实现关联控制。

用户可以按控制要求设置凸轮片间的间隔角度和凸轮盘个数，从而达到角度感应和多点输出控制的目的。

如图所示，凸轮盘串接在同一根轴上，并且凸轮间以一定的角度相间隔，在微动开关的一端接+5V，连续转动轴，在开关的另一端可以得到变化的电平输出。

用机械凸轮可以完成一些简单的控制和角度感应，可以实现粗略定位。

盘片的加工和维修复杂，而且易磨损，制作困难。

电子凸轮
电子凸轮又称Electronic CAM，是模拟机械凸轮的一种智能控制器。

它通过位置传感器（如旋转变压器Resolver或编码器Encoder等）将位置信息反馈给CPU，CPU将接收到的位置信号进行解码、运算处理，并按设定要求在指定位置将电平信号进行设置并输出。

电子凸轮和系统组成
下图为电子凸轮和系统图。

该型号采用旋变作为位置传感器，可以通过通讯端口和PC或手持编程器（Handy terminal）进行通信。

PC和手持编程器提供给用户编程使用，为用户提供了方便的编程界面。

信号输出采用并行（PIO）和串行（SIO）两种方式，输出信号可以直接用来控制伺服电机和步进电机的驱动器，也可以通过控制器将信号集中处理后控制变频器等驱动装置,实现运动控制的目的。

输出设置
电子凸轮的输出是以DOG为单位进行设置的，如图4所示。

一个DOG分为DOG WIDTH和DOG INTERVAL两部分，DOGWIDTH相当于机械凸轮中开关被压下并保持的时间或角度范围，需设置一个起始角度（Start position）ON（比如图中的0°）和一个终止角度（End position）OFF（比如图中的30°）。

相应的DOGINTERVAL就是相当于开关松开的角度范围。

对于一个凸轮来讲，可以有多个DOG，通常只需设置DOG WIDTH，DOG Interval就是在两个DOG WIDTH中间的角度范围，不需另外设置。

以下图为例，只需设置0°——ON，30°——OFF；57°——ON，95°——OFF即可。

一般可以设定的DOG数和SENSOR的转速有关，转速越高，可以设定的DOG就越少，相反转速越低，可设定DOG数越多。

凸轮信息的输出有两种方式：PIO和SIO。

PIO也就是并行输出，共40个通道（CHANEL），其中32个可以用做输出凸轮(CAM)和位置(Position)、速度(Speed)信息，8个CHANEL用做错误信息等的输出。

32个CAM可以是32个CAM输出，也可以是16个CAM+Position,或者16个CAM+Speed,或者Speed+Position。

用户可以根据具体应用的需要进行合理的设置。

SIO也就是串行输出，其输出信息的内容与PIO相同，只是接口形式不同而已，比较适合慢速系统使用。

位置和速度信息的输出编码形式主要是BCD码、PureBinary、Gray码。

32个通道都用做凸轮输出时，各通道凸轮之间彼此独立，互不影响，用户可以根据自己的需要单独设置各点的输出来实现组合控制。

下图是32个输出通道全部设为CAM输出时的完整输出信号。

每个CAM可以控制一组马达和驱动器，因此最多可以控制32组。

通过选定各个DOG的参数，可以轻易的实现各个轴之间的同步和联动。

应用
电子凸轮可以应用在诸如汽车制造、冶金、机械加工、纺织、印刷、食品包装、水利水电等各个领域。

比如在机械加工方面，用电子凸轮来代替笨重的机械凸轮当然是最简单的了。

将马达轴上的机械凸轮换成旋变做位置反馈，将电子凸轮的信号送控制器，即可实现原来的机械凸轮全部功能。

毫无疑问采用电子凸轮的系统具有更高的加工精度和灵活性，能大副提高生产效率。

在水处理和水利水电方面，电子凸轮也有其特别的应用价值。

如图所示，将电子凸轮的传感器（一般是旋变）上安装一个浮标，将浮标置于水面上，浮标随水面的变化而上下运动，带动传感器轴一起运动。

将目标水位对应的旋变位置设置为凸轮DOG的终止（OFF）角度，将允许的最高水位对应的旋变位置设置为凸轮DOG的起始（ON）角度。

水位传感器的信号送凸轮控制器，控制器控制拉闸马达。

这样当水位达到最高水位时，传感器将水位信息反馈给凸轮控制器，再控制拉闸马达驱动器便可泻洪；当达到目标水位后，凸轮输出信号翻转，马达通车，实现水位稳定。

当然，水位控制不是电子凸轮的唯一用途，流量控制往往显得更为重要。

由于电子凸轮可以输出CAM+POSITION，也就是凸轮和位置信息，所以在控制中水位传感器可以将水位精确反馈给凸轮控制器，如果再在拉闸马达上安装一编码器的话，就可以实现排洪流量的精确控制。

而这一点往往是最重要的。

此外电子凸轮提供的串行通讯口，可以和PC通信，从而可以实现远程控制。

在印刷行业，电子凸轮也已经获得了广泛应用，其控制大致如图所示。

将旋变安装在传动马达轴上，旋变将马达的位置和速度信息反馈给电子凸轮，电子凸轮输出传动马达的速度和凸轮信号给送纸马达驱动器，实现送纸和传动之间的的同步，此外，由于电子凸轮有速度感应的功能，所以它可以象伺服一样实现恒速送纸。

另外，控制器可以和电脑通信，从而使得控制更加智能化。

在矿山采矿和冶金方面，电子凸轮也有其广泛的应用，下图所示为典型的矿山采掘设备，从矿床挖掘到矿石储存和矿物在港口转运，整个过程都由电子凸轮做传送定位、旋转角度设定和监控、矿物料斗升降控制。

此外，电子凸轮还可以应用在象弹簧机，木工机械，自动涂装生产线上，在此不一一介绍。

电子凸轮产品系列价格适中，性能稳定，使用灵活，具有广阔的应用前景。

电子凸轮之伺服实现
2009-01-10 11:01
相对于机械凸轮，电子凸轮对大部分人来说都是比较陌生的，但电子凸轮的优点远远超过机械凸轮。

曾用伺服电机+伺服驱动器+控制电路系统做过电子凸轮，现把过程经验分享给大家。

伺服电机带电子凸轮功能的在国内或者没有，或者很少，曾查遍Google,Baidu。

这方面的资料少之又少。

我也是自己摸索的可能有好多地方不足或者幼稚，请高手们批评指导。

用伺服电机实现电子凸轮功能分两种情况（伺服控制最好采用运转+方向控制方式）
第一：不在跟随情况下（没有辅助编码器或者说伺服电机不跟随辅助编码器运转，用控制器直接控制伺服）
这种情况下相对来说比较简单，可以通过调周期给伺服驱动器发送命令使伺服电机运行各种曲线，在你的控制系统中定义一个定时器，定义一个凸轮表，根据不同的曲线计算出凸轮表，凸轮表中的数据是每次定时器中断填充计时值，这样在中断时发送一次命令，同时根据内部计数索引在凸轮表中取出定时值修改定时器。

这里关键时如何产生凸轮表，建立虚拟主轴。

同时不要忘记在掉电时记录凸轮表索引。

第二：在跟随情况下（有辅助编码器，主轴跟随从轴运转）
这种情况相对上面的来说较复杂一点，主要思路就是，根据你的曲线产生凸轮表，你的控制系统收到从轴编码器信号后通过硬件或软件方法判断正反转，在根据内部计数通过查凸轮表得出这一次脉冲命令对应要向伺服控制器发送多少个脉冲命令，注意正反转问题。

这要做当你的从轴匀速运动时与第一种情况几乎一样，当从轴在变速运动时就会出现伺服电机噪声过大，发热严重问题。

你可以通过调整伺服驱动器参数优化一下，具体请查阅伺服手册了。

当然在资金充裕的情况下可以用线数高点的编码器，同时在程序上倍频。

同时不要忘记在掉电时记录凸轮表索引，或者用绝对编码器（更好）。

注意几点：
一、在扭矩功率合适下一定要注意惯量问题，在机械惯量小的情况下尽量选择小惯量的伺服电机，这样你的凸轮速度可以做的高一点，当然在机械惯量大的情况下需保证伺服电机惯量 * 3 >= 机械惯量，不过我建议机械惯量要小于 2 倍的伺服电机的惯量，大家可以试验看看。

二、使用凸轮时伺服驱动器最好用外部回生电阻，小阻值大功率的那种。

具体可以根据伺服手册上的公式计算出来。

我在试验时用了两个热得快并联，效果很不错。

在大惯量3KW伺服电机带动其3倍惯量的机械以正弦曲线运动时可以跑到600rpm.
三、实现凸轮我觉得如何生成凸轮表尤为关键，一个好的凸轮表可以降低伺服电机在运作时的噪声，以上是大体的介绍，希望给各位一个抛砖引玉的作用，若你。