高速运动伺服控制系统的应用

1、高速运动伺服控制系统的应用评职称、发论文，交给机电之家* 3个月内完成!收藏此信息 打印该信息 添加：李田科 来源：未知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

2、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 me运动

3、控制驱动器。因为masterdrives me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me

4、伺服数控系统，me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me运动伺服控制系统主要特点为：高动态响应，masterdrives me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:me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

5、运用bieo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。epu 315-2dp具有一个profibus dp接口和一个组合的 dp/mpi接口，通过epu315-2dp 的profibus dp接口，连接符合 profibus总线的 设备，使得epu可以轻松的访问底层的profi

6、bus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pic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，fc s:帧检查序列，ed:结束定界符。变频器现

7、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SDLESDD ASAFCDAPSAPD JFCSEE3.3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

8、 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 p po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，

9、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 。Cener&l Ccnf leuratlon |Default |FPO-T)rp K PXT+PID-lO/iOLn lde&lPKVFIBDS MrtMEAdds miDI/O4FTPInput/Out putt24Vcrd5Act Ull VUlUff/SBtPn pcu iIiwut/Output22W10ford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

10、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_

11、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drive monitor软件进行调试及监控。drive monitor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：拨饼宀到位，冲压（此时停止拨饼）t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40

12、ms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drive monitor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=16.9n - m ,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

13、。(2) 利用 drive monitor 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

14、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

15、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 、s7-400 语句表编程 z.siemens 公司 .5 ma