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交流伺服系统及在自动上盖机中的应用

发表于:2019-06-08 14:04 作者:新闻小编 来源:新闻小编

前言

  近几十年来伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步,使伺服技术的发展突飞猛进。在机械、设备等相关领域各种运动部件的速度控制、运动轨迹控制都是依靠各种伺服系统来完成的。因此在全自动上盖机的快速提升和高速水平移动两个运动轨迹的控制设计上均采用了先进的数字交流伺服控制系统,保证实现生产要求的速度和控制精度。

全数字交流伺服控制的含义

  所谓全数字交流伺服系统即系统所有的控制调节全部采用大规模数字集成电路作为系统的核心控制芯片,实现交流伺服系统的位置、速度和电流环的全数字化控制,通过数字处理技术由软件控制算法来完成,直接输出脉宽调制信号驱动功率放大器对伺服电机进行控制,完成系统的控制任务。

全数字交流伺服系统的控制机理

  以交流永磁同步电机为控制对象,控制系统采用基于数字信号处理器ms320f2812(dsp)为核心的全数字伺服系统为例,其伺服系统采用位置环、速度环和电流环三闭环控制。其中,位置环实现精确的位置控制,速度环实现快速跟踪,电流环采用电压空间矢量脉宽调制(svpwm)控制算法实现快速动态响应,以获得优良的控制性能。驱动器控制系统原理如图1所示。

全数字交流伺服控制系统的系统组成

  系统硬件主要由以dsp为核心的主控单元、功率放大和保护单元、电流反馈检测单元、旋转变压器解算单元、故障检测单元以及人机接口单元等部分组成。如图2所示。旋转变压器与编码器的作用相同,都为系统的反馈装置。电机控制专用dsp芯片兼有高运算速度和单片机的强控制能力,它的出现为电机控制系统的全数字化提供了硬件支持。dsp拥有两个专用于电动机控制的事件管理器(eva和evb),系统充分利用了事件管理器提供的资源,使设计大为简化。

全自动上盖机控制系统的概况

  根据现有生产的要求上盖机的正常运行速度应达到每小时600桶以上,最大速度应达到650桶。

  上盖机的机械形式为旋转连续供盖,在储仓转盘停止时,操作人员可以批量的为空仓进行上盖。基本动作框图如图3所示。

  根据目前生产线的要求和上盖机的基本动作框图,对自动上盖机的动作进行了逐项分解,通过分析发现全部分解动作中取盖后的平移动作和盖提升机构的回落动作对时间和精度要求较高,要在适应频繁启停、频繁正反转切换的前提下,到达速度快、定位准确的要求。另外对储仓转盘的旋转定位的精度也要求较高。如果速度和定位达不到要求,就无法达到生产效率的要求,影响盖盖的质量,严重时还会造成机械的损坏和人身伤害。

全自动上盖机控制系统的配置

  通过对分解动作的分析和动作时间的计算得出系统动作难点

  (1)提升机构总高度为0.8米,在上升时,在4.8秒内行走一个盖的高度31mm即可;但提升机构下降的时间仅为2秒,即在2秒内要行走1.2米,速度为每秒0.6米,对运行速度要求很高。并且为保证取盖的可靠性,要求提升定位准确,带防止溜车的装置,防止出现机械结构的损坏。

  (2)水平移动机构长度为1.0米,要求在1.1秒内完成水平移动动作,包括两端的平稳加速和减速停车,即速度应到达每秒0.91米以上。在满足高速运行的前提下还应达到准确定位,运行平稳的要求。

系统设备的选型

  实现设备提升和水平移动动作的要求,在电气控制系统方面可以考虑采用伺服系统控制、步进系统控制,还可以使用气动系统、普通电机等很多方式。通过系统组成、控制原理、性能及成本等方面分析,根据设备性能提出的要求,考虑到设备要求的机械强度等方面的内容,在提升方式上最终选择了采用安川-ⅴ系列全数字伺服系统控制滚珠丝杠带动机械托爪的结构。水平行走采用了安川伺服系统控制同步齿形带带动一个气动机械手的的方式,这种结构简单、轻便,适于高速运行。

  整个全自动上盖机的控制以西门子可编程控制器s7-200系统为核心,它是一种小型化、高速度、高性能的plc,通过plc发出控制脉冲来实现对伺服系统的控制。操作部分由触摸屏来实现。整体的系统结构框图如图5所示。

全自动上盖机伺服系统的设计

  交流伺服驱动器主回路

  系统采用三相ac220v伺服电机,驱动器的u、v、w及接地端分别接伺服电机的a相、b相、c相和伺服电机的地线。必须按次序一一对应地连接,否则有可能对驱动器或伺服电机造成损害。ll、l2、是伺服单元单相主电路输入端,l1c、l2c是控制电路电源输入端。编码器与驱动器的cn2端口相接,编码器的c、d、h、g分别为数据传输和5v、0v线,分别与cn2端口的ps(5)、/ps(6)、5v(1)、0v(2)相连。实际接线以颜色区分,如图6所示。

控制回路的设计

  (1)伺服单元的cn1接口及其接法:伺服单元的cn1接口是伺服输入输出控制线的接口。作为位置指令输入输出接口,位置用针号有:指令脉冲输入(7,8,11,12),在控制要求中,要求伺服系统准备好后方可启动程序,通过伺服on工作信号解除驱动器内部的栅极封锁,使电机变为通电状态。为了伺服系统不超程运行,设置两个限位开关来禁止正转驱动和禁止反转驱动,同时设置报警功能。图7为垂直伺服cn1的接口电路。

  联接器cn1信号线(50针):作为外部控制信号的输入\输出。其注意事项是:

  (a)用24vdc的电源,作为控制信号的供电。

  (b)伺服驱动器与其它设备间的连线应尽量短(3米之内)。

  (c)控制线与电源线应尽量隔开(大于30cm),并且不要将它们捆在一起或放在同一接线槽内。

  (d)对于cn1信号线应采用双绞屏蔽线,并且将屏蔽线与驱动器的信号地(gnd)连在一起。

  伺服单元的cn2接口及其接法:伺服单元的cn2接口是连接编码器的端口。cn2的端子有bat(+)、bat(一)作为绝对值编码器用电源接口。c、d、h、g是伺服电机sgmgh的针号。编码器与伺服单元的cn2接口接线图如图8所示。

  联接器cn2 信号线(6针):作为伺服电机编码器的连接线。其注意事项是:

  将屏蔽线同外壳相连,将电机屏蔽线同驱动器屏蔽线相连接。

  电缆线最长的长度为105,若太长,驱动器内保证编码器正常工作的输出电压(5v)会有损失,编码器将不能正常工作。

  同电源线(r\s\t)相隔距离应尽量远(大于30cm),并且避免捆在一起或接在同一接线槽内。

  (2)交流伺服驱动器用户参数设置

  安川-ⅴ系列全数字式交流伺服驱动器sgdv有一系列的参数,通过这些参数的设置和调整,用户可以改变系统的性能和功能。调试前应首先设置的参数有:

  参数pn000:设置驱动器控制方式为0010位置控制方式(脉冲序列指令);

  位置控制参数设定:pg反馈脉冲的分频比电子齿轮{a/b}的设定。

  电子齿数是对来自上位装置输入指令的1个脉冲对应于工件所走的移动量进行任意设定的功能。

  电子齿数比 b/a=pn20e/pn210=(编码器分辨率/负载轴旋转1周的移动量)*(m/n)=32768/6000。即参数pn20e设为32768,pn210设为6000。

  在生产线上安装调试时,伺服电机在停止或运行状态中会发生振荡和噪声,即不能在负载条件下获得最合适的响应和稳定性,此时需要进行基本增益调整。在位置控制方式时,在工作现场进行基本增益调整的用户参数有:

  设置速度环积分时间常数参数pn101 较小值,其值越小,位置偏差值相减越快;

  设置位置环增益参数pn102较大而不发生振荡为止;

  设置参数pn109,将速度前馈系数设置为最小(0%)

  (3)增益调整时应注意的事项:

  增益的最优值依负载而定,若负载变化,则需要重新调整。

  若位置环增益过大,机械刚性较高,有可能导致振荡。

  若采用驱动器的速度环而外加位置环单元,伺服系统的位置环增益会由于速度指令输入增益参数的改变而改变。

  若增益设置值过大,会引起振荡,这时应减小设置值从而停止振荡。若不能停止振荡,则关掉电源和伺服系统信号,然后再开启电源将增益恢复到较小的值。

结束语

  目前我们研制的全自动上盖机已经在生产线上正式运行,控制系统的运行效果非常令人满意,每小时上盖平均达到了620桶左右,上盖质量合格率在97%以上,完全达到了设计的目标。

  达到目标的关键在于在设备主要的提升和水平运动部分采用了数字交流伺服控制系统作为驱动执行机构,代替了以普通三相电机为动力的系统,充分发挥了数字交流伺服控制系统的高速、大扭矩、控制精度高、抗过载能力强、节能等优势。

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