高速运动伺服控制系统的应用 --《变频器世界》网络版.doc

高速运动伺服控制系统的应用TheApplicationoftheHighSpeedMotionServoControlSystem本文来自2004年第10期“系统应用”上 ,已经被阅读过282次作 者 ：南京造币厂李田科摘 要 ：文章讨论西门子公司高速运动伺服控制系统在硬币压印机中的实际应用。通过矢量变频器，从而准确控制主电机的速度，即压印速度，通过控制高速运动伺服控制器，准确控制拨饼位置，从而实现冲压和拨饼的同步运动,通过ProfibusDP总线实现矢量变频器和运动伺服控制之间的通讯。本文重点讨论控制系统的实现方法及实际应用中的解决问题。英文摘 要 ：ThispaperintroducesthehighspeedmotionservocontrolsystemofSiemensinmintpress.Usingvectorconverter,itcancontrolthespeedofthemainmotor,usinghighspeedmotionservocontrolsystem,itcancontrolthemotionofthedialingblank,therebythepressingandthedialingsynchronize.ProfibusDPisusedtorealizecommunicationbetweenvectorconverterandmotionservocontrolsystem.Thispaperdiscussesthemethodofthecontrolandthesolvedproblemindetail.关键词： 运动伺服控制器矢量变频器ProfibusDP总线同步1 引言近几年来随着伺服控制技术的飞速发展，它已广泛用于控制交流电机转速、位置等。现场总线技术伴随着计算机技术、网络通信技术及微电子技术的发展而飞速发展，推动整个自动化控制向更高层次发展。本文所介绍的系统充分发挥伺服控制器和现场总线技术的特点，准确、灵活地控制高速硬币压印机的冲压和拨饼，满足了多种工艺要求。以前硬币压印机的主轴与拨饼轴之间的传动连接采用同步带联结,如图1所示，即主轴与拨饼轴之间的传动比为固定的1:1, 拨饼轴的速度变化随主轴速度而变，主轴与拨饼轴的位置角度一一对应，其最大特点是简单和可靠，实现了两轴的1:1同步，但系统不具备柔性。为了满足特殊生产工艺要求，如对某些产品（大规格纪念币、小规格纪念币）就必须靠进行多次压印功能来达到工艺的技术要求，也就是经过多次压印后，拨饼一次，需要改变主轴与拨饼轴之间的传动比为N:1，修改系统的机械传动结构非常困难，所以需要用高速运动伺服控制器，控制拨饼运动，如图2所示。 图1 同步带联结 图2 伺服控制器控制如果两轴的1:1同步，那么也就是拨饼速度等于主轴速度;如果两轴的N:1(N=2，3，4)间歇同步, 那么也就是拨饼速度等于主轴速度的1/N。根据系统要求选用西门子公司MASTERDRIVES MC运动控制驱动器。因为MASTERDRIVES MC运动伺服控制驱动器适合控制循环周期短而且高精度、高动态响应的控制系统。这种驱动器是智能控制系统的一部分，它能够实现机动、灵活和高效的驱动控制，其性能远远超过同类系统。2 控制内容和控制要求本文以高速硬币压印机为控制对象，硬币压印速度必须要达到700枚/min，主要工艺过程是:送饼机构把光饼送到拨饼机构，拨饼机构把光饼准确拨给主传动机构，在主传动压印，加工成成品。其主要特点是:速度快(每完成一枚只需85ms);各机构之间的传动要配合默契，特别强调主传动与拨饼机构要配合非常准确，拨饼的时间只有40ms左右，所以拨饼驱动采用SIEMENS公司MC伺服数控系统，MC伺服数控系统是SIEMENS公司最新高速运动控制系统，是无轴驱动系统(无轴驱动系统就是同步信号从主传动上取出，即在主传动曲轴上安装高分辨率的光电编码器,当主机运转时，编码器的脉冲信号输送给拨饼伺服控制器控制，伺服控制器准确控制拨饼动作，从而达到随拨饼主机同步运转的要求)。SIEMENS公司MC运动伺服控制系统主要特点为:高动态响应，MASTERDRIVES MC驱动器使用了32位数字控制技术;高过载因数能处理高难度的应用问题:MC运动控制驱动器有极高的过载因数:250ms内300%的过载能力;集成式安全保护装置保障了所有功能的安全应用:具有的“安全停止”功能软件:灵活运用BICO技术，它们可被应用于所有必要的开环和闭环控制。根据工艺要求，主传动机构和拨饼机构既要满足1:1同步要求(压印一枚，拨一枚)，又要满足N:1间歇同步要求(压印一枚N次后，再拨一枚)。3 系统的整体构成和方案设计3.1 电气主控系统电气主控系统将采用德国SIEMENS公司的S7-300系列可编程序控制器, 中央处理单元为西门子CPU315-2DP，该系统可靠性高，速度快。CPU 315-2DP具有一个Profibus DP接口和一个组合的DP/MPI接口，通过CPU315-2DP的Profibus DP接口，连接符合Profibus总线的设备，使得CPU可以轻松的访问底层的Profibus网络上的设备。图3为系统的整体构成图。注意在配置网络终端电阻时，网络的首端、尾端电阻为ON，中间全部为OFF。图3 系统的整体构成图3.2 现场总线通信协议Profibus DP现场总线通信协议格式。可编程序控制器PLC要和驱动器顺利通过Profibus通信，两者必须共同遵守Profibus通信格式。西门子Profibus通信协议格式如附表所示，附表通信报文帧发送/请求格式。SD:开始定界符,LE:网络数据长度，LER:数据重复长度，DA:目的地址, SA:起源地址,FC:功能码，DAP:目的服务存取点，SAP:源服务存取点，DU:数据单元，FCS:帧检查序列，ED:结束定界符。变频器现场总线控制系统中，Profibus DP的通讯协议的信息帧分为协议头、用户数据和协议尾，有的用户数据带有参数区域和过程数据区域，而有的用户数据仅由过程数据组成。Profibus通信控制变频传动定义了五种PPO类型，即参数值PKW和过程数据PZD的字长不同。参数值PKW是变频器运行要定义的一些功能码，如最大频率、加减速时间等。过程数据PZD用来传输控制字的一些功能码，如变频器设定值、状态字、变频器实际值。附表 通信报文帧发送/请求格式3.3 硬件组态用SIEMENS公司的STEP7软件对系统进行硬件组态。使用STEP7组态软件，进入硬件配置HW CONFIG，完成S7-300PLC硬件组态，选定PLC为主站系统(Master system)，在Hardware Catalog中找到MASTERDRIVES把它连接到以CPU315-2DP为主站的DP网上，并选定使用的PPO类型，设定站点网络地址。由于与主传动、拨饼电机通讯数据量大，需要监控主机电流、主轴角度。特别是拨饼伺服系统寻参功能，为了使系统达到同步运行，机床的零点与电气控制系统的零点必须重合，零点是非常重要的参考点，拨饼伺服系统MDI功能，当机床发生故障，产生角度误差时，需要执行MDI功能，走MDI功能，再一次可靠实现拨饼伺服系统的角度与主轴角度重合，消除误差，保证了控制系统运行的可靠性、准确性。所以采用PPO5的通讯方式，如图4示, PKW为4个字, PZW为10个字，通讯速率为1.5Mbps。图4 PPO5的通讯方式3.4 软件编程利用西门子STEP7软件对系统的软件编程。建立2数据块:DB3、DB4分别对应主传动变频器、拨饼伺服控制器。DB3、DB4中设置相关参数。SLAVE_3. DPADDR为Profibus DP从站地址，SLAVE_3. DADDR为Profibus DP从站诊断地址，SLAVE_3. SLOT_4.LADDR为Profibus DP从站I/O基本槽地址，SLAVE_3.SLOT_4. SLOT_ID为Profibus DP从站I/O基本槽号，SLAVE_3.SLOT_4.PCD_ADDR为Profibus DP从站过程数据地址, SLAVE_3.SLOT_4.LENGTH为Profibus DP从站数据字长, SLAVE_3.SLOT_4.CONSIST为Profibus DP从站数据是否一致性的判断。4 系统调试中的难点解决利用西门子公司的DriveMonitor软件进行调试及监控。DriveMonitor软件是基于Windows平台的调试、诊断软件，驱动器的所有参数都具有表格化、图形化提示，可以更新处理，及打印参数设置， 也可以处理过程数据，及进行诊断操作，也可以实现离线或在线操作，这些也可以在通讯条件下进行。硬币压印速度必须要达到700枚/min，即每完成一枚只需85ms(动作过程为:拨饼到位，冲压(此时停止拨饼)拨饼，各机构之间的传动要配合默契，特别强调主传动与拨饼机构要配合非常准确，拨饼的时间只有40ms左右。拨饼负载变化非常大，在拨饼起始瞬间阻力特别大，当拨动饼后阻力马上变小，在40ms时间拨饼盘要到位，否则冲头要把拨饼盘打碎。利用DriveMonitor软件监控拨饼机构负载变化曲线为1:1，负载变化曲线如图5所示，N:1负载变化曲线如图6所示。图5 1:1负载变化曲线图6 N:1负载变化曲线(1) 根据上述曲线，选用西门子伺服电机1FT6084-8AC71-4TA0，额定转矩为Mn=16.9NM，额定转速Nn=2000r/min，最高转速Nmax=3200r/min，采用减速比为1:3，以满足主机最高速度700枚/min的要求以及力矩要求。(2) 利用DriveMonitor软件对矢量变频器及MC运动伺服控制器进行参数整定。先采用静态整定的方法，自动测定主电机，为的是确定转子和定子阻抗的实际值，自动进行优化计算;再用先动态整定的方法，激活转矩控制，这是由加速转矩的计算，根据转速给定变化调整转矩控制，并考虑转动惯量变化，动态整定主要功能的参数，设定速度控制电路的动态响应的功能参数作用，并进行系统的优化控制。(3) 在调试时, 随主机速度的提高, 拨饼盘经常被冲头打碎。经分析认为，主机速度的提高，需要拨饼盘响应速度提高，快速准确定位，所以需要调整位置环的增益参数。位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪。通过设定的目标位置与电机的实际位置相比较，利用其偏差通过位置调节器来产生电机的速度指令，当电机初始起动后(大偏差区域)，应产生最大速度指令，使电机加速并以最大速度恒速运行，在小偏差区域，产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。本文为了准确控制拨饼盘，对主机速度进行分段控制，速度每提高20r/min为一个区间，动态修改位置环的增益参数，以满足不同主机速度要求。5 结束语尽管高速运动伺服系统已广泛应用，但是要注意以下几个问题:(1) 先要了解系统转矩情况，也就是系统正常工作对伺服电机力矩的要求。(2) 对负载变化大的系统。考虑采用通过增加减速箱的方法，提高系统力矩，在提高力矩的时候也要考虑系统响应时间等问题，特别对高速运动的控制。(3) 对有速度变化的负载进行位置控制的系统。需要动态调整位置环的增益参数，以满足不同速度要求。此系统经实践证明对位置的控制非常准确和可靠。充分说明了在高速系统中用运动伺服系统准确地控制位置，对控制同类设备有借鉴意义。参考文献1 SIEMENS S7-300可编程序控制器Z. SIEMENS公司.2 SIEMENS S7-300和S7-400梯形逻辑编程Z.SIEMENS公司.3 SIEMENS STEP 7 V5编程手册Z. SIEMENS公司.4 SIEMENS S7-300、S7