一、引言
近年來(lái)，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價(jià)格日趨合理。與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自帶編碼器，可以反饋位置信號(hào)，精度更高，不存在丟步的現(xiàn)象；伺服驅(qū)動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩控制，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)為恒功率控制，隨著轉(zhuǎn)速升高，
步進(jìn)電機(jī)輸出的扭力迅速衰減，伺服驅(qū)動(dòng)不存在上述情況，在0到額的轉(zhuǎn)速之間，都可以輸出額定扭矩，因此伺服驅(qū)動(dòng)可以應(yīng)用于高速場(chǎng)合。
二、應(yīng)用環(huán)境
某工廠生產(chǎn)數(shù)字彈簧機(jī)設(shè)備，采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，加工速度最大為150個(gè)工件/分鐘。為了提高加工速度，與深圳市研控自動(dòng)化科技有限公司合作，采用研控公司的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造現(xiàn)有設(shè)備。試驗(yàn)機(jī)型為兩軸電腦壓簧機(jī)，改造后參數(shù)如表1所示： 線徑 Φ0.15~1.0mm
外徑 Φ20mm
最大送線速度 150m/min
最大送線長(zhǎng)度 無(wú)限
加工速度 500工件/min
送線指令 ±0.1~±9999.99
凸輪指令 ±0.1°~±359.9°
改造前，加工速度只有150工件/分鐘，改造后的加工速度達(dá)到了500工件/分鐘，速度提高330%以上，而由改造帶來(lái)的總成本的增加不足1%，極大的提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。
三、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型
原設(shè)備使用的是
研控YKA2811MA細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和YK110HB115-06A步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如表2所示：
要替代現(xiàn)有電機(jī)，首先替換后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要達(dá)到現(xiàn)有電機(jī)的水平。由上表中數(shù)據(jù)可知，步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為21N.m，但是不必選擇額定轉(zhuǎn)矩為21N.m的交流伺服電機(jī)替代步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩是電機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)的轉(zhuǎn)矩，是步進(jìn)電機(jī)能夠達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的升高，步進(jìn)電機(jī)輸出的扭矩將衰減，步進(jìn)電機(jī)矩頻曲線如圖2所示。而交流伺服電機(jī)的特性是在0到額定轉(zhuǎn)速之間，電機(jī)的扭矩恒定不變。設(shè)備的實(shí)際負(fù)載小于6N.m。
其次，選型速度。設(shè)備由共有兩軸——切刀軸和送線軸。切刀軸通過(guò)凸輪帶動(dòng)切刀，每轉(zhuǎn)一周，加工一個(gè)工件，切刀軸轉(zhuǎn)速在500r/min左右；送線軸每轉(zhuǎn)送線長(zhǎng)度為144mm，要達(dá)到150m/min的送線速度，要求送線軸電機(jī)轉(zhuǎn)速為1042r/min。
另外，慣量選型。負(fù)載慣量與電機(jī)慣量的比值稱為慣量比。慣量比的大小影響系統(tǒng)的起停性能。設(shè)備工作狀態(tài)為頻繁起停，每加工一個(gè)工件就有一個(gè)啟動(dòng)停止過(guò)程。當(dāng)加工速度達(dá)到最大值時(shí)，電機(jī)每分鐘起停500次。為了獲得良好的起停性能，慣量比應(yīng)選擇小一些，本次選擇在3：1左右。
根據(jù)以上規(guī)則，選擇驅(qū)動(dòng)器型號(hào)YKPSDD_10A5D，電機(jī)參數(shù)如表3所示。由于司伺服電機(jī)帶有光電編碼器，所以電機(jī)長(zhǎng)度有所增加。編碼器精度為2500線，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部經(jīng)過(guò)4倍頻，使得伺服的脈沖當(dāng)量為0.036°，是步進(jìn)電機(jī)的50倍。
表3：
單純從力矩的角度上講，原步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1200r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩仍在6N.m左右，滿足驅(qū)動(dòng)的要求，但是步進(jìn)電機(jī)的加速能力不行。當(dāng)加工速度為500工件/分鐘時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)停止的時(shí)間非常短暫，沒(méi)有足夠的時(shí)間給步進(jìn)電機(jī)加速到1000r/min，出現(xiàn)丟步的現(xiàn)象，而伺服電機(jī)卻可以成功的完成加速。
四、參數(shù)調(diào)節(jié)
按說(shuō)明書正確接線。為了測(cè)試連線是否存在故障，首先進(jìn)入測(cè)試模式運(yùn)行。研控伺服提供兩種測(cè)試模式，可以分別測(cè)試位置控制模式和速度控制模式。經(jīng)過(guò)測(cè)試，確認(rèn)機(jī)械連接和電氣連接正常。下一步將連接上位機(jī)運(yùn)行。上位機(jī)完成對(duì)兩軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的計(jì)算，將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以脈沖的形式傳輸?shù)?a title="中國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)" href="http://www.scbcq.cn/product/list.php?catid=190" target="_blank">
伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行上位機(jī)的運(yùn)算結(jié)果。彈簧機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖3所示：
以100工件/分鐘的速度運(yùn)行，運(yùn)行正常。繼續(xù)增加加工速度，當(dāng)加工速度達(dá)到370工件/分鐘時(shí)，出現(xiàn)倒線的現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)子位置超過(guò)了停止位置，然后向后退回，這是由于驅(qū)動(dòng)器剛性不夠，需要調(diào)節(jié)參數(shù)，改善性能。對(duì)系統(tǒng)性能影響較大的幾個(gè)參數(shù)為位置比例增益、速度積分時(shí)間常數(shù)、位置比例增益、位置前饋增益。
(1) [速度比例增益](參數(shù)PA-5)的設(shè)定值，在不發(fā)生振蕩的條件下，盡量設(shè)定得較大。設(shè)定值越大，剛性越強(qiáng)，但是設(shè)定過(guò)大，可能會(huì)產(chǎn)生振蕩。一般情況下，負(fù)載慣量越大，[速度比例增益]的設(shè)定值應(yīng)越大。
(2) [速度積分時(shí)間常數(shù)](參數(shù)PA-6)的設(shè)定值，根據(jù)給定的條件，盡量設(shè)置得較大。[速度積分時(shí)間常數(shù)]設(shè)定的太大時(shí)，響應(yīng)速度將會(huì)提高，但是容易產(chǎn)生振蕩。所以在不發(fā)生振蕩的條件下，盡量設(shè)置的較大。[速度積分時(shí)間常數(shù)]設(shè)定的太大時(shí)，在負(fù)載變動(dòng)的時(shí)候，速度將變動(dòng)較大。一般情況下，負(fù)載慣量越大，[速度積分時(shí)間常數(shù)]的設(shè)定值應(yīng)越小。
(3) [位置比例增益](參數(shù)PA-9)的設(shè)定值，在穩(wěn)定范圍內(nèi)，盡量設(shè)置得較大。[位置比例增益]設(shè)置得太大時(shí)，位置指令的跟蹤特性好，滯后誤差小，但是在停止定位時(shí)，容易產(chǎn)生振蕩。
(4) 如果要求位置跟蹤特性特別高時(shí)，可以增加[位置前饋增益]設(shè)定值。但如果太大，會(huì)引起超調(diào)。
根據(jù)以上調(diào)節(jié)規(guī)律，將速度比例增益從52增大到80，問(wèn)題解決，一直到500工件/分鐘的加工速度，沒(méi)有出現(xiàn)倒線的現(xiàn)象。
五、結(jié)論
得益于研控
交流伺服驅(qū)動(dòng)器針對(duì)不同場(chǎng)合預(yù)置了不同參數(shù)，整個(gè)參數(shù)調(diào)試的過(guò)程簡(jiǎn)化了很多。彈簧機(jī)的送線軸工作在頻繁啟停的狀態(tài)，對(duì)交流伺服來(lái)說(shuō)，這是一種嚴(yán)苛的工作環(huán)境。研控伺服在彈簧機(jī)上的成功應(yīng)用，充分證明了研控產(chǎn)品的優(yōu)良品質(zhì)。
