謝子方，金文靜，王文婷

(寧波安信數(shù)控技術(shù)有限公司，浙江寧波315801)

隨著自動化行業(yè)的不斷發(fā)展，自動門系統(tǒng)發(fā)展迅速，在電梯、數(shù)控機床和注塑機等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前國內(nèi)外各種注塑機大都采用交流異步電機、減速機和變頻器組成的自動門系統(tǒng)。交流異步電機配變頻器解決方案有著成本低的優(yōu)勢，但也存在著能耗高、控制性能差、缺乏安全性的缺點，在關(guān)門過程中即使有人卡在門里面也無法自動停止，容易造成人員傷亡和電機燒毀事故，存在安全隱患。近幾年交流伺服電機的大批量使用，使其成本不斷降低，它在自動門機系統(tǒng)的應(yīng)用成為今后自動門發(fā)展的方向[1]。由于伺服電機有著良好的控制性能，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性無沖擊開關(guān)門，在關(guān)門途中如果有人卡住了能夠自動檢知并停止關(guān)門，保證了人員的安全，對于提高自動門的安全性具有重要意義[2]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該伺服自動門系統(tǒng)主要由交流永磁同步伺服電機、伺服驅(qū)動器、減速器、行程開關(guān)、皮帶、定滑輪和動滑輪等組成。

該伺服電機內(nèi)置了磁編碼器[3]，運動過程中能夠?qū)崟r反饋運行的距離，但是斷電后又會丟失當前的位置信息，所以在關(guān)門到底位置裝了一個行程開關(guān)，作為基準零位位置，每次通電后的首次動作都需要先關(guān)門到碰到行程開關(guān)位置歸零位。注塑機控制器界面可以設(shè)置開門距離的大小，其數(shù)值通過一個IO 點發(fā)脈沖信號給伺服驅(qū)動器，脈寬代表設(shè)定的開門距離。脈沖周期為1 s，開門最大距離為4 000 mm，脈寬為設(shè)定距離相應(yīng)的百分比。比如設(shè)定開門距離為40 mm則脈寬為0.01 s，設(shè)定為4 000 mm 則脈寬為1 s。

系統(tǒng)采用的設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

2 運動控制算法

傳統(tǒng)的異步電機自動門系統(tǒng)由于沒有編碼器無法反饋當前位置，其運行速度只有2 擋，快速和慢速。啟動和停止前一段距離為慢速擋，中間段為快速擋，兩擋速度的切換通過行程開關(guān)來控制，其速度的變換存在突變，沖擊問題嚴重，對減速器、皮帶輪和電機的使用壽命都會產(chǎn)生不良影響。文中所述的伺服自動門系統(tǒng)由于電機內(nèi)置編碼器，可以實時反饋當前位置信息，故采用先進的S形加減速控制算法，在運行過程中通過加速度的均勻變化實現(xiàn)速度的平滑過渡，減少了過沖和沖擊，提高了系統(tǒng)的柔性和使用壽命。

2.1 S曲線加減速算法[4－6]

正常情況下S形曲線加減速的運行過程可分為7段:加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段，如圖1所示。

圖1 S型加減速曲線

圖中vs為起始速度，ve為終點速度，vc為指令速度，vmax為系統(tǒng)運行的最大速度。圖中符號說明如下:

t為時間坐標;

tk(k=1，2，…，7)為各個階段的過渡點時刻;

vi(i=1，2，…，7)為各個階段的過渡點時刻的速度;

τk(k=1，2，…，7)為局部時間坐標，表示以各個階段的起始點作為零點的時間，τk=t－tk－1;

Tk(k=1，2，…，7)為各個階段的持續(xù)運行時間;

A、D為加速度;J1，J3，J5，J7為加加速度;L為整個運行長度。

一般情況下電機的正向和反向的驅(qū)動能力是一致的，因此可以假設(shè)電機正向和反向最大加速度相等，即Amax=Dmax，并認為:電機加速度曲線從0 達到最大值和從最大值到0 所用的時間相等，此時間定為系統(tǒng)的一個特性時間常數(shù)tm，tm越大柔性越大，加減速時間越長;tm小沖擊大，加減速時間短;tm=0時，S曲線退化為直線。根據(jù)假設(shè)有:

從而:

tm的計算公式為:

成立的前提條件是:運行過程中最大加速度能達到。若這個條件不成立，則式(1)由下式代替:

這樣，只需要確定3個最基本的系統(tǒng)參數(shù):系統(tǒng)最大速度vmax、最大加速度Amax、加加速度J 便可確定整個運行過程。通過上述假設(shè)，可以得到加加速度、加速度、速度和位移等的計算公式。

加加速度Jerk 公式如下:

根據(jù)圖1和式(4)，可以將加速度a(t)、進給速度v(t)和位移s(t)表示為:

通過推導(dǎo)，加速度a(t)、進給速度v(t)和位移s(t)計算公式為:

由此可得勻加速段運行時間為:

勻速段的運行時間為:

勻減速段運行時間為:

加速區(qū)長度為:

減速區(qū)長度為:

2.2 系統(tǒng)實際運行情況分析

該伺服自動門系統(tǒng)安裝在海天MA系列1 000 t的注塑機上運行，與同樣規(guī)格的使用KEB 異步電機的自動門作比較，情況見表2。

表2 運行情況對比

由表2可見:該伺服自動門相比傳統(tǒng)的使用異步電機的自動門在功能、安全性和性能上更加具有優(yōu)勢。實際運行中，伺服自動門開關(guān)門速度過渡平滑，沖擊明顯小于傳統(tǒng)自動門。關(guān)門中測試卡住物體堵轉(zhuǎn)時，能自動停止輸出，避免了傳統(tǒng)自動門堵轉(zhuǎn)時輸出電流增大容易燒毀現(xiàn)象，提高了安全性。

3 結(jié)束語

伺服自動門與傳統(tǒng)的自動門相比，具有功能強、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、沖擊小、使用壽命長和安全性好等優(yōu)點，是自動門系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在將來的大中型注塑機中將被廣泛應(yīng)用。

【1】張霞，榮祖蘭.客車電動車門防夾控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].制造業(yè)自動化，2011，33(3):67－70.

【2】崔啟明.動車組自動門控制系統(tǒng)的研究[D].長春:吉林大學(xué)，2009.

【3】鄧之江.一種電動門電機用磁編碼器:中國，201020144410.0[P].2010－11－17.

【4】ERKORKMAZ Kaan，ALTINTAS Yusuf.High Speed CNC System Design:Part I:Jerk Limited Trajectory Generation and Quintic Spline Interpolation[J].International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2001，41(2):1323－1345.

【5】郭新貴，李從心.S曲線加減速算法研究[J].機床與液壓，2002(5):60－62.

【6】李曉輝，鄔義杰，冷洪濱.S曲線加減速控制新方法的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2007(10):50－53.