河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 熊新國(guó)

鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校 張鄭亮

永磁交流伺服系統(tǒng)直線位置的控制與實(shí)現(xiàn)

河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 熊新國(guó)

鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校 張鄭亮

隨著自動(dòng)化控制水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)要求設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位。因此，如何更方便、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置控制是現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。目前，永磁交流伺服系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于位置控制領(lǐng)域。本文，筆者利用西門子S7-200系列PLC內(nèi)置的高速脈沖串發(fā)生器作為驅(qū)動(dòng)條件，采用松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服電機(jī)以及MADDT1207003全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)裝置作為運(yùn)動(dòng)控制裝置，提出了一種容易實(shí)現(xiàn)的直線位置控制方法。

一、永磁交流伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介

永磁交流伺服系統(tǒng)包括永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分。伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，伺服驅(qū)動(dòng)器控制U，V，W三相電源形成電磁場(chǎng)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，伺服電機(jī)利用自帶的編碼器將當(dāng)前的速度信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，由此實(shí)現(xiàn)精確定位。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，具有很好的矩頻特性。

二、基于S7-200PLC伺服系統(tǒng)直線位置控制總體思路

1.伺服系統(tǒng)位置控制的精確性主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器的精度。高端的運(yùn)動(dòng)控制模塊可以對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，但是在有些需要位置控制的場(chǎng)合，僅對(duì)位置精度的要求較高，而運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度并不是很高，那么，就沒有必要選擇那些昂貴的高端運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)了。

2.伺服系統(tǒng)配合可編程控制器在位置控制時(shí)可實(shí)現(xiàn)如下要求。

（1）直接位置控制。通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)從某起點(diǎn)一直運(yùn)行至終點(diǎn)后停止。

（2）斷點(diǎn)位置控制。通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行至中間某個(gè)位置后按停止按鈕即可停止，下次按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后可從斷點(diǎn)運(yùn)行至終點(diǎn)。

從以上敘述可以看出，如果只要求設(shè)備作直線位置控制，伺服系統(tǒng)完全可以在可編程控制器的配合下完成。

三、設(shè)計(jì)步驟

1.運(yùn)動(dòng)控制裝置的選取。按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)要快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)定位控制。經(jīng)過多方面綜合比較后，決定采用松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服電機(jī)及MADDT1207003全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)裝置作為運(yùn)動(dòng)控制裝置。該運(yùn)動(dòng)控制裝置的主要特點(diǎn)是：響應(yīng)快、精度高、體積小，具有共振抑制和控制功能以及全閉環(huán)控制功能，且控制方式多樣，保護(hù)措施齊全，目前已被廣泛應(yīng)用于各種有精確調(diào)速、定位要求的場(chǎng)合。加之附帶操作面板，控制和使用簡(jiǎn)便易行，具有穩(wěn)妥方便的自動(dòng)調(diào)整功能，控制方式多樣化，保護(hù)設(shè)施齊全。

2.高速脈沖生成器的選取。高速脈沖生成器選用西門子S7-200系列PLC，該控制器具有體積小、編程簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。西門子CPU224XP有兩個(gè)內(nèi)置PTO/PWM發(fā)生器，用以產(chǎn)生高速脈沖串（PTO）或脈寬調(diào)節(jié)（PWM）信號(hào)波形。一個(gè)發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點(diǎn)Q0.0，另一個(gè)發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點(diǎn)Q0.1。兩個(gè)脈沖發(fā)生器的最大脈沖輸出頻率為100kHz。在脈沖串輸出方式中，PLC可生成一個(gè)50%占空比的脈沖串，用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的速度和位置的控制。

3.電氣接線圖的設(shè)計(jì)。MADDT1207003伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直線控制的電氣接線設(shè)計(jì)如圖1所示。

伺服驅(qū)動(dòng)器面板上有多個(gè)接線端口，各端口功能介紹如下。

（1）X1為電源輸入接口。AC220V電源連接到L1，L3主電源端子，同時(shí)連接到控制電源端子L1C，L2C上。

（2）X2為電機(jī)接口和外置再生放電電阻器接口。U，V，W端子用于連接伺服電機(jī)。

（3）X6為連接到伺服電機(jī)編碼器信號(hào)接口。

（4）X5為I/O控制信號(hào)端口。

4.參數(shù)的設(shè)置。由于選用的電機(jī)編碼器反饋脈沖為2 500pulse/rev，驅(qū)動(dòng)器缺省反饋脈沖電子齒輪分-倍頻值為4倍頻，所以如果希望指令脈沖為6 000pulse/rev，那么就應(yīng)把指令脈沖電子齒輪的分-倍頻值設(shè)置為10 000/6 000，從而實(shí)現(xiàn)PLC每輸出6 000個(gè)脈沖，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周。根據(jù)上述控制要求，相應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

5.直線位控程序的設(shè)計(jì)思路。為了簡(jiǎn)化用戶應(yīng)用程序中位控功能的使用，STEP7-Micro/WIN提供的位控向?qū)Э梢詭椭脩粼谳^短時(shí)間內(nèi)完成PTO的組態(tài)。向?qū)Э梢陨晌恢弥噶睿瑢?duì)速度和位置提供動(dòng)態(tài)控制。

表 1 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

如果要求PLC執(zhí)行存儲(chǔ)于配置／包絡(luò)表的指定包絡(luò)運(yùn)行操作，連續(xù)運(yùn)行時(shí)的梯形圖如圖2所示。

四、調(diào)試時(shí)應(yīng)注意的問題

根據(jù)指令特點(diǎn)可知，C_Pos參數(shù)在PTO向?qū)У腍SC計(jì)數(shù)器功能啟用時(shí)，此參數(shù)包含以脈沖數(shù)作為模塊的當(dāng)前位置。所以，如果要求設(shè)備運(yùn)行過程中中途按動(dòng)停止按鈕即能立即停止，下次按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后能從斷點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行，則只需加圖3所示的兩條程序即可。

1.伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)響應(yīng)控制的最佳值為負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比為1，最大比值不能超過5。通過機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，可以使負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比接近1或更小。如果負(fù)載慣量確實(shí)很大，機(jī)械設(shè)計(jì)不可能使負(fù)載慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量之比小于5時(shí)，則可使用電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量較大的電機(jī)，即所謂的大慣量電機(jī)。但在使用大慣量電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)達(dá)到一定的響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)器的容量也要大一些。

2.在達(dá)到穩(wěn)態(tài)前，系統(tǒng)將在偏差信號(hào)的作用下驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速或減速。若指令脈沖突然消失（如緊急停車時(shí)，PLC立即停止向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖），伺服電機(jī)仍會(huì)運(yùn)行到反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖消失前的脈沖數(shù)才停止。

本文，筆者提出的位置控制方法不需要專用的定位模塊，即可輕松實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的位置與速度控制。這種方法具有硬件要求簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，目前已被應(yīng)用于亞龍公司YL-335B自動(dòng)線的定位控制，截至目前，系統(tǒng)總體運(yùn)行狀態(tài)良好。