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伺服系統(tǒng)位置控制中的“電子齒輪”分析

發(fā)布時間:2013-2-15 15:25    發(fā)布者:Liming
關(guān)鍵詞: 伺服 , 位置控制 , 電子齒輪
  現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,在機(jī)械加工,冶金制造、分切輸送、機(jī)器人或機(jī)械手等領(lǐng)域,被控對象的動作越來越復(fù)雜化、多樣化,它們都涉及到各自的位置定位,并且有著越來越高的控制要求。交流伺服系統(tǒng)是目前工業(yè)自動化傳動技術(shù)的高端技術(shù)之一,它使得輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角),數(shù)控技術(shù)確保執(zhí)行元件跟隨設(shè)定的指令,進(jìn)行人們期望的運動。它具備有位置、速度和力矩三種控制方式,主要用于高精度的定位,可以滿足各類復(fù)雜機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)變化定位要求。
對“電子齒輪”的理解
  伺服系統(tǒng)一般具備三大環(huán)節(jié):伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器和實施控制的上位機(jī),上位機(jī)大都用PLC單片機(jī)。如圖:
  伺服電機(jī)是這個系統(tǒng)的執(zhí)行元件,伺服系統(tǒng)靠脈沖來定位,而位置控制的基本點是上位機(jī)依據(jù)被控對象的具體控制要求,編制程序;伺服驅(qū)動器執(zhí)行上位機(jī)程序,輸出脈沖。這樣,帶有特定程序規(guī)則的脈沖電源讓伺服電機(jī)驅(qū)使機(jī)械部件實現(xiàn)位移或轉(zhuǎn)角,完成工序作業(yè)任務(wù)。可見無論控制對象的要求千變?nèi)f化,其準(zhǔn)確的位置定位必然與脈沖的數(shù)量和每單位脈沖期間機(jī)械部件的移動量這樣兩個要素密切相關(guān)。
  就機(jī)械構(gòu)成而言,伺服電機(jī)輸出軸與負(fù)載輸入之間通常都有減速裝置,它反映了伺服電機(jī)與負(fù)載輸入之間轉(zhuǎn)速的對應(yīng)(倍率)關(guān)系,俗稱速比。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點,這樣的機(jī)械傳動系統(tǒng)一旦確立,那么減速裝置的速比就是固定的,如果需要調(diào)整,就意味可能廢除原有硬件,重新制作安裝,顯然不是很方便。能不能找到更方便且有效的途徑,讓機(jī)械系統(tǒng)的速度變化在一定的范圍內(nèi)可調(diào)整、設(shè)定呢?
  微電子技術(shù)和大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了伺服驅(qū)動器,它采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心,實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法,達(dá)到數(shù)字化、智能化;其功率器件采用以智能功率模塊(IPM)為核心的驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù),在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程中的浪涌電流對驅(qū)動器的沖擊。伺服驅(qū)動器的輸出電源是對交流三相或單相電進(jìn)行整流,得到相應(yīng)的直流電,通過正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電壓型逆變器變頻來驅(qū)動伺服電機(jī)。這樣伺服電機(jī)接受來自驅(qū)動器輸出的脈沖,在脈沖寬度的時間段內(nèi),電機(jī)實現(xiàn)位移,一串這樣的脈沖就使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來,進(jìn)而驅(qū)動機(jī)械負(fù)載。由于伺服驅(qū)動器輸出電源采用了正弦脈寬調(diào)制技術(shù),這種技術(shù)的特點是輸出的脈沖串不等寬,它可以根據(jù)控制信號來產(chǎn)生脈寬。如此,伺服電機(jī)的移動量就可以隨脈寬的可控特性來選擇、設(shè)定,靈活調(diào)整而未必變更硬件。換句話說,即使相同頻率的脈沖串,由于用戶對電機(jī)在其對應(yīng)的脈沖寬度內(nèi)移動量的設(shè)定值不一樣,電機(jī)速度乃至負(fù)載側(cè)速度就會不一樣,它所起的作用與機(jī)械變速齒輪相似,但是卻不像機(jī)械變速齒輪那樣有形,于是有了個與機(jī)械對應(yīng)的說法:“電子齒輪”。三菱電機(jī)自動化有限公司這樣描述“電子齒輪”的作用:機(jī)械可以以任意倍率的輸入脈沖進(jìn)行移動。
“電子齒輪”的結(jié)構(gòu)分析與實踐
  伺服驅(qū)動器生產(chǎn)商給出的“電子齒輪”的表達(dá)式為分?jǐn)?shù),其分子和分母分別被定義為兩個可以設(shè)定的用戶參數(shù):
  分析上述表達(dá)式,四項主要數(shù)據(jù)有著各自的特點:
  一.負(fù)載轉(zhuǎn)速/電機(jī)轉(zhuǎn)速 (俗稱速比)習(xí)慣上這是由機(jī)械角度考慮決定的,但是由于它是“電子齒輪”的組成部分,在數(shù)值上應(yīng)盡量選取整數(shù),這一點對于旋轉(zhuǎn)工作臺類機(jī)械而言尤為突出。
  二.負(fù)載軸轉(zhuǎn)一周的移動量對于不同工序要求的機(jī)械系統(tǒng),負(fù)載軸一轉(zhuǎn)完成的移動量不一樣,絲桿類行進(jìn)的是螺旋長度;圓臺類旋轉(zhuǎn)的是一周角度;傳送類則是負(fù)載軸的周長,等等。它是設(shè)備功能決定的,選擇余地不大。
  三.伺服電機(jī)編碼器分辨率編碼器是伺服電機(jī)乃至伺服系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵部件,因為伺服電機(jī)接收脈沖每旋轉(zhuǎn)一個角度,編碼器就會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖,回饋給伺服驅(qū)動器,與伺服電機(jī)接收的脈沖形成呼應(yīng),稱為閉環(huán)。有了這種環(huán)節(jié),伺服控制系統(tǒng)就會對發(fā)出和收回脈沖數(shù)量予以比較、調(diào)節(jié),很精確地控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動,從而達(dá)到精確定位。編碼器分辨率表示了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號數(shù)量的數(shù)值,顯然這個數(shù)值越高,表示每轉(zhuǎn)發(fā)出的數(shù)字脈沖越細(xì)分,檢測精度也會相應(yīng)提高。當(dāng)然它是與伺服電機(jī)一體安裝的,用戶在選擇伺服電機(jī)時配套考量。
  四.每指令脈沖對應(yīng)的移動量 (亦稱為指令單位)這個數(shù)值由用戶自行選擇,是體現(xiàn)“電子齒輪”“變速”作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù),筆者多年來分別使用過三菱MR—J3系列伺服放大器和安川SGDM型伺服單元,體會到這個“指令單位”的取值極重要,它直接影響“電子齒輪”比值,需要結(jié)合機(jī)械和電氣設(shè)計綜合考慮,兼顧下列因素:
  1. 最高輸出速度在機(jī)械減速器已確定的前提下,受上位機(jī)或伺服驅(qū)動器最高輸出頻率的限制,指令單位的取值直接影響負(fù)載軸能輸出的最高轉(zhuǎn)速,成正比趨勢。筆者使用三菱FX系列PLC分別與三菱及安川伺服驅(qū)動器組成系統(tǒng),用于分切輸送機(jī)械,曾計算指令單位取值與負(fù)載線速度的關(guān)系如下:
  可以看出:指令單位越小,負(fù)載線速度越低;上位機(jī)頻率越低,負(fù)載線速度相應(yīng)也低。折算成輸出軸速度有同樣比例關(guān)系。
  2. 定位精度顯然指令單位取值越小,相當(dāng)于脈沖當(dāng)量越細(xì)分。比如,指令單位取值由0.1縮小10倍成0.01,相當(dāng)于在一個脈沖寬度內(nèi)位移由0.1修改成0.01。換言之,原來一個脈沖的位移,現(xiàn)在要十個脈沖來完成,其相對定位精度自然會比修改前高。
  由此可以看出,當(dāng)其他條件不變的前提下,指令單位取值對機(jī)械系統(tǒng)的速度和精度有著密切關(guān)系,伺服系統(tǒng)為用戶提供數(shù)字控制平臺,而用戶則應(yīng)在滿足設(shè)備加工要求前提下,最大限度地在速度和定位精度兩者尋求恰當(dāng)數(shù)值。三菱MR—J3系列伺服放大器還拓寬了“電子齒輪”的應(yīng)用選擇空間;另外提供三個擴(kuò)展參數(shù),作為電子齒輪的分子數(shù)據(jù),可以通過驅(qū)動器兩個輸入端子功能設(shè)置,由PLC編程組合成四種“電子齒輪”,更增加變速范圍。
  從“電子齒輪”的數(shù)值結(jié)構(gòu)可以看出,作為分子分母的兩個用戶參數(shù)是整數(shù),然而它必須通過公式演算化簡,因此各有關(guān)數(shù)據(jù)取值時應(yīng)充分考慮計算、化簡的可能性,便于取舍。
  為了確保伺服系統(tǒng)正常運行,制造商會對“電子齒輪”的比值范圍作出限制,并且提醒用戶,如果超出限制范圍會產(chǎn)生可能的后果,比如發(fā)出異常噪音;不能按照設(shè)定的速度或加減速時間常數(shù)運行;甚至影響定位精度,等等,一旦出現(xiàn)這些情況須在減速機(jī)速比、負(fù)載位移量(周長、角度、行程)及指令單位取值等方面厘清主次,尋求平衡。
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zhshm59 發(fā)表于 2014-11-16 15:53:56
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